Fusionsenergie hat das Potenzial, sichere, saubere und nahezu unbegrenzte Energie zu liefern. Obwohl Fusionsreaktionen bei leichten Kernen, die weniger als Eisen wiegen, auftreten können, werden die meisten Elemente nicht fusionieren, es sei denn, sie befinden sich im Inneren eines Sterns. Um brennende Plasmen in experimentellen Fusionsleistungsreaktoren wie Tokamaks und Stellaratoren zu erzeugen, suchen Wissenschaftler nach einem Brennstoff, der relativ einfach zu produzieren, zu lagern und zur Fusion zu bringen ist. Die derzeit beste Wahl für Fusionsreaktoren ist Deuterium-Tritium-Brennstoff. Dieser Brennstoff erreicht die Fusionsbedingungen bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich zu anderen Elementen und setzt mehr Energie frei als andere Fusionsreaktionen.
Deuterium und Tritium sind Isotope von Wasserstoff, dem häufigsten Element im Universum. Während alle Isotope des Wasserstoffs ein Proton besitzen, hat Deuterium zusätzlich ein Neutron und Tritium zwei Neutronen, so dass ihre Ionenmassen schwerer sind als Protium, das Isotop des Wasserstoffs ohne Neutronen. Wenn Deuterium und Tritium verschmelzen, erzeugen sie einen Heliumkern, der zwei Protonen und zwei Neutronen hat. Die Reaktion setzt ein energiereiches Neutron frei. Fusionskraftwerke würden die durch Fusionsreaktionen freigesetzte Energie in Elektrizität umwandeln, um unsere Häuser, Unternehmen und andere Bedürfnisse zu versorgen.
Glücklicherweise ist Deuterium weit verbreitet. Etwa 1 von 5.000 Wasserstoffatomen im Meerwasser liegt in Form von Deuterium vor. Das bedeutet, dass unsere Ozeane viele Tonnen Deuterium enthalten. Wenn die Fusionsenergie Realität wird, könnte ein einziger Liter Meerwasser so viel Energie erzeugen wie 300 Liter Benzin.
Tritium ist ein radioaktives Isotop, das relativ schnell zerfällt (es hat eine Halbwertszeit von 12 Jahren) und in der Natur selten ist. Glücklicherweise kann Tritium erzeugt werden, wenn man das häufiger vorkommende Element Lithium in einem Fusionsreaktor energiereichen Neutronen aussetzt. Ein funktionierendes Fusionskraftwerk könnte möglicherweise Lithium verwenden, um das Tritium zu züchten, das es benötigt, um den Deuterium-Tritium-Brennstoffkreislauf zu schließen, da Lithium aus der Erdkruste durch Erzabbau und aus Salzwüsten gewonnen werden kann.
DOE Office of Science: Beiträge zum Deuterium-Tritium-Brennstoff
Teil der Mission des Department of Energy Office of Science, Fusion Energy Sciences (FES) Programm ist es, eine praktische Fusionsenergiequelle zu entwickeln. FES arbeitet mit dem Advanced Scientific Computing Research Programm zusammen und nutzt wissenschaftliches Rechnen, um die Fusionswissenschaft voranzutreiben und die Auswirkungen der Ionenmasse auf verschiedene Plasmaphänomene zu verstehen. In den Einrichtungen des Office of Science, wie dem DIII-D-Tokamak und dem sphärischen Tokamak NSTX-U, untersuchen Wissenschaftler die Auswirkungen der Ionenmasse auf den Plasmaeinschluss, den Transport und die Turbulenz. Der Einschluss von Fusionsprodukten wie dem Helium-Ion wird auch in Gegenwart von spiralförmigen Magnetfeldern untersucht. Das Office of Science Nuclear Physics Programm entwickelt die grundlegende Kernwissenschaft, die das Verständnis der Fusion untermauert, indem es Kernreaktionsdatenbanken erstellt, Kernisotope erzeugt und Aspekte der Nukleosynthese aufklärt.
Fakten zum Deuterium-Tritium-Brennstoff
- Wasser aus Deuterium ist etwa 10 Prozent schwerer als normales Wasser. Deshalb wird es manchmal auch als „schweres Wasser“ bezeichnet. Es sinkt tatsächlich auf den Boden eines Glases mit normalem Wasser.
- Zu den Quellen von Tritium auf der Erde gehören die natürliche Produktion aus der Wechselwirkung mit kosmischer Strahlung, Energie erzeugende Kernspaltungsreaktoren wie der Schwerwasser-CANDU-Reaktor und Kernwaffentests.
- Um bestimmte R&D-Probleme zu vermeiden, einschließlich struktureller Materialschäden durch energiereiche Neutronen, sind Fusionswissenschaftler auch an aneutronischen Fusionsreaktionen (wie Deuterium-Helium-3- und Proton-Bor-Fusion) interessiert, obwohl diese Fusionsreaktionen bei höheren Ionentemperaturen als bei Deuterium und Tritium auftreten.
Ressourcen und verwandte Begriffe
- Wie funktioniert die Fusionsenergie?
- U.S. DOE Office of Science Fusion Energy Sciences program
- Science Up-Close: Entwicklung eines Kochbuchs für effiziente Fusionsenergie
- Fusionsforschung beflügelt Innovation
Dankesworte
Matthew Lanctot (U.S. DOE Office of Science)