Um zu verstehen, was im Früh­stadium des Universums ablief, ist es zweck­mäßig, die physika­lischen Prozesse unseres Zentral­gestirns zu verstehen.

Die Sonne ist ein Energie­spender und erzeugt ihre Energie durch Kern­fusions­reaktionen, also durch Verschmel­zung von Atomkernen. Es sind vor allem die Wasser­stoff­kerne, die fusio­nieren, wodurch netto Energie frei­gesetzt wird. In Kern­fusions­plasmen auf der Erde können ähnliche Bedingungen wie in der Sonne herge­stellt werden. Es lassen sich sogar fast ähnliche Tempera­turen wie auf der Sonne erreichen.

Ziel ist es, Atom­kerne sehr nahe aneinander zu bringen, damit sie mit­einander ver­schmelzen, wodurch letzt­lich Energie frei wird. Durch die Nähe zueinander, versuchen die Atom­kerne ihre gemein­same Ober­fläche möglichst klein zu halten, weil das der stabilste Zustand ist. Sie ziehen sich quasi zusammen, und aus „zwei” Kernen die sich berühren wird „ein” größerer Kern.

Natür­lich sind Atom­kerne quanten­mechanische Objekte, bei denen man die Größe nicht genau bestimmen kann. Aber verein­facht kann man sich diese als Kugeln vor­stellen, und die Kräfte führen dazu, dass die Atome mit­einander vers­chmelzen. Dadurch wird deren innerer energe­tischer Zustand günstiger, und daher können sie Energie abgeben.

Diesen Prozess der Kern­fusion kann man aller­dings nicht beliebig oft fort­führen, denn Atom­kerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Da die Protonen positiv geladen sind, versuchen sie sich gegen­seitig abzu­stoßen und wirken dem Prozess, Energie freizu­setzen, entgegen.

Insofern entsteht das Problem, dass sich bei größeren Kernen die Ladungen der einzelnen Teilchen immer stärker abstoßen. Daher gibt es ein Maximum in der Bindungs­energie, bis sich anschlie­ßend der Prozess umkehrt und die Energie wieder abfällt.

Vor allem, wenn man Wasserstoff zu Helium verschmilzt, wird viel Energie frei. Anschließend verändert sich die Energie­kurve und erreicht schließ­lich ein Maximum beim Eisen. Schluss­endlich gibt es ein schwerstes Element, welches durch Kern­fusion entstehen kann und noch stabil ist, nämlich das Uran. Anschlie­ßend geht es auf natür­liche Weise nicht mehr weiter. Denn schließ­lich würde der Kern so viele Protonen enthalten, dass er wegen der elek­trischen Wechsel­wirkungen auseinander fliegt.

Aus diesem Grund lässt sich am einfach­sten Energie gewinnen, indem man leichte Kerne mit­einander ver­schmilzt oder schwere Kerne spaltet, wie es im Kern­reaktor der Fall ist.

Die Heraus­forderung besteht nun darin, diese elek­trisch geladenen Kerne so nahe aneinander zu bringen, dass sie sich quasi berühren, also über­lappen. Dieses Über­lappen führt zu Scher­kräften, und bevor sie sich auflösen, ver­schmelzen sie lieber zu einem größeren stabileren Kern. Der Bereich, in dem das statt­findet, ist mit 10^-15m extrem klein. Das bedeutet zunächst, dass man den Kernen genug Energie zuführen muss, um gegen die Abstoßungs­kräfte der Atom­kerne anlaufen zu können. Und wenn sie sich aufgrund der Wahr­schein­lich­keiten berühren, kommt es zu Kern­fusionen. Normaler­weise fliegen zwei Atom­kerne auf­einander zu und werden durch die elek­trische Ladung abge­bremst und fliegen ohne sich zu berühren wieder auseinander.

D + T = D' + T'

Wenn die Energie aber hoch genug ist, so dass die Teilchen ihre Abstoßung über­winden können, dann wandeln sie sich um, und es wird dabei Energie frei.

D + T = He + n + E

D   ist das Deuterium
T    ist das Tritium
He  ist das Helium als Endprodukt
n    ist das Neutron

Deuterium ist ein Isotop und bildet den schweren Wasser­stoff. Er wird aus Meer­wasser gewonnen, da es zu 0,01% im Wasser vorhanden ist und zudem schwerer als der normale Wasser­stoff ist.
Tritium ist der über­schwere Wasser­stoff. Da Tritium aller­dings radio­aktiv ist und wegen seiner geringen Halbwerts­zeit auf der Erde nicht vorkommt, wird er aus Lithium gewonnen.
Die He-Kerne heizen den Brenn­stoff auf.
Die Neutronen heizen dagegen die Wand des Reaktors auf.

Als Ergebnis erhält man durch das Auf­heizen des Gases thermische Energie. Aufgrund der thermischen Bewegung kommen sich die Teilchen nahe genug, und das führt schließ­lich zu den Fusions­prozessen. Ähn­liche Prozesse laufen ständig in der Sonne ab. Wenn man die Energie in Temperatur umrechnet, erreicht das Sonnen­innere ca. 15 Millionen K (Kelvin).

Aller­dings finden die laut obigem Forma­lismus beschrie­benen Fusions­reaktionen nicht in der Sonne statt, da die unter Labor­bedingungen erzeugten Prozesse eine höhere Rate haben, also effizienter sind. Unter der­artigen Bedingungen käme man in der Sonne auf 100-200 Millionen K. Das ent­spricht einer thermischen Energie von 10-20 keV.

Die Idee ist also, man verwendet ein Gas aus Wasser­stoff als Grund­lage und erhitzt dieses auf 200 Millionen K. Bei solchen Tempera­turen liegt das Wasser­stoff­gas als Plasma vor. Das ent­spricht quasi dem vierten Aggregat­zustand (fest - flüssig - gasförmig - plasma­förmig). Das Gas besteht nur noch aus einzelnen ionisierten geladenen Teilchen. Als Folge davon gibt es darin Kern­fusions­reaktionen, bei denen mehr Energie frei wird als wir benötigen.

Im Plasma sind die Atome nicht mehr an die Atom­kerne gebunden. Die typischen Bindungs­energien betragen ca. 1 /1000 der thermischen Energie. Wenn die Bindungs­kräfte nicht mehr aus­reichen, liegen die Ionen, also positive und negative Ladungen, nur noch einzeln vor.

Zum Beispiel geht bei einem Blitz das Luftgas kurz­zeitig in den Plasma­zustand über. Oder nehmen wir eine Leucht­stoff­röhre, dort brennt auch eine Plasma­ent­ladung, aller­dings nicht ganz so heiß.

Doch wie schließt man ein derart heißes Gas in einem Behälter ein? Hierzu macht man sich zunutze, dass die Teilchen elek­trisch ge­laden sind. Die Teilchen lassen sich dann sehr effizient durch ein Magnet­feld beeinflussen. Wenn man diese Teilchen einem Magne­tfeld aussetzt, beginnen die Teilchen eine Gyrations­bewegung zu voll­ziehen. Darunter versteht man eine Spiral­bewegung um die Magnet­feld­linie. Und längs der Magnet­feld­linien können sich diese frei bewegen.

Das heißt, die Teilchen kommen mit der Behälter­wand gar nicht in Berührung. Typischer­weise verwendet man hierzu eine torusförmige Behälter­geometrie. Und die Magnet­feld­linien spiralen um den Torus herum, wobei die Teilchen zunächst den Magnet­feld­linien hinter­her laufen. Die Teilchen bewegen sich inner­halb des Torus auf verschie­denen konzen­trisch angeord­neten magne­tischen „Mantelflächen”.

Je weiter man sich den inneren Mantel­flächen nähert, desto heißer wird das Plasma. Die äußeren Mantel­flächen sind dagegen weniger heiß, weil die Dichte dort geringer ist. Auf diese Weise kann man einen Druck­gradienten vom Zentrum zum Rand hin aufrecht­erhalten. Dennoch kommt es mit der Wand zu Wechsel­wirkungen, ohne dass sich diese auflöst.

Das Plasma im Sonnen­inneren und das im Reaktor unter­scheiden sich nicht so stark in der Temperatur, sondern vielmehr in der Teilchen­dichte (Anzahl pro Volumeneinheit). In der Luft zum Beispiel beträgt die Zahl bei 1 m³ etwa 10²⁶ Teilchen. In den Fusions­reaktoren beträgt die Anzahl dagegen 10²⁰ Teilchen. Also 1 Million mal weniger Teilchen.

Doch weil das Gas so extrem stark verdünnt ist, lässt es sich so stark aufheizen. Denn die Energie­dichte wird aus dem Produkt beider Terme gebildet. Also, wenn man das Gas um 1 Million K heißer macht, aber die Dichte nur 1/1.000.000 beträgt, ist das Produkt wieder Eins. Das heißt, obwohl das Plasma im Zentrum eine Temperatur von 1 Million K hat, beträgt der Druck­gradient von innen nach außen nur 1 bar.

Eine Möglich­keit eines solchen Behälters ist der „Stellarator”. Der Durch­messer beträgt 10 m, mit 72 supra­leitenden Spulen. Eine andere Variante ist der „Tokamak”. Auch hier findet ein magne­tischer Ein­schluss des Plasmas statt, mittels toroidalen Feldspulen.

Beim „Stellarator” sind folgende Parameter notwendig:

• Die Temperatur T muss bei 100 Millionen°C hochhalten werden.
• Man muss die Teilchendichte n bei 10²⁰/m³ Teilchen hochhalten.
• Entscheidend ist auch die Energie­einschluss­zeit τ_E [sec].
• Das Fusions­produkt T · n · τ_E [m^-3· keV · s] muss den Minimal­wert über­steigen.

Einige Beispiele für die Energie­einschluss­zeit τ_E:
Kaffeetasse    τ = 10 Minuten
Thermoskanne τ = 10 Stunden

Dementspre­chend versucht man gegen­wärtig die Magnet­feld­konfi­guration so zu optimieren, dass man von derzeit 10 Millisekunden auf 3 Sekunden kommt. Das ist die Zeit, in welcher der Energie­inhalt einmal ausge­tauscht wird und was sozusagen der Wärme­isolation entspricht.

Bisher erreicht man hohe Temperatur von 400 Millionen°C und eine hohe Teilchen­dichte von 10²⁰/m³ Teilchen. Aber die Wärme­isolation liegt leider noch <1 s von den benötigten 3 Sekunden.

Was führt dazu, dass Wärme verloren geht? Die hohe Teilchen­dichte führt bei dieser Geometrie dazu, dass die Teilchen bereits in Bereichen mit­einander kollidieren, die noch nicht effizient sind. Das heißt, sie dürfen nicht zu früh mit­einander in Kontakt kommen, sonst tauschen wärmere Teilchen mit kühleren Teilchen den Platz. Denn starke Gradienten von Temperatur und Dichte führen zu Mikro­instabili­täten.

Mikroinstabili­täten wiederum verur­sachen einen turbu­lenten Zustand. Dadurch wird jedoch die innen benötigte Wärme nach außen trans­portiert. Da der Energie­transport durch die Turbolenz bestimmt wird, bräuchte man zur Zündung gegen­wärtig noch einen Reaktor mit einem Radius von 6-7 m, denn die Wärme­isolation wächst mit dem Plasma­querschnitt. Das wäre für den Haus­gebrauch allerdings noch „etwas” zu groß.

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