Was ist ein Tokamak?
Der Name „Tokamak“ ist eine Abkürzung des russischen „toroidalnaya kamera s magnitnymi katushkami“ (тороидальная камера с магнитными катушками), was so viel bedeutet wie Ringkammer mit Magnetspulen.
Wie funktioniert ein Tokamak?
Ein Tokamak besteht aus einer ringförmigen Vakuumkammer, dem so genannten Torus, in dem gasförmiger Wasserstoff extremer Hitze und hohem Druck ausgesetzt wird, bis er zu Plasma wird, einem elektrisch geladenen, heißen Gas. Plasma findet sich auch im Kern von Sternen und ist die Umgebung, in der leichte Elemente fusionieren und Energie freisetzen können.
Das heiße Plasma wird durch Magnetspulen, die das Gefäß auskleiden, von den Wänden des Torus ferngehalten. Ein Satz von Spulen erzeugt ein intensives toroidales Feld, während ein zentrales Solenoid (ein Magnet, der elektrischen Strom führt) ein poloidales Feld erzeugt, das die Plasmateilchen einschließt. Ein dritter Satz von Magnetspulen erzeugt ein äußeres poloidales Feld, um das Plasma im Torus zu formen und zu positionieren.
Der Fusionsprozess beginnt mit der Evakuierung von Luft und Verunreinigungen aus der Vakuumkammer, bevor die Magnetsysteme aufgeladen werden und der gasförmige Brennstoff (in der Regel Wasserstoff) eingeleitet wird.
Ein elektrischer Strom wird durch das Gefäß geleitet, wodurch das Gas aufgespalten und ionisiert wird, so dass sich die Elektronen von den Kernen ablösen und ein Plasma bilden. Die energiegeladenen Plasmateilchen stoßen zusammen und erhitzen sich, während zusätzliche Heizsysteme die Temperatur auf die für die Fusion erforderlichen Werte (150–300 Mio °C) erhöhen. Unter diesen Bedingungen sind die hochenergetischen Teilchen in der Lage, ihre natürliche elektromagnetische Abstoßung beim Zusammenstoß zu überwinden, so dass sie verschmelzen und enorme Energiemengen freisetzen können.
Tokamak-Fakten
Ein Tokamak kann Plasmaströme mit elektrischen Strömen im sogenannten Mega-Ampere-Niveau aufrechterhalten, die den stärksten Blitzen entsprechen.
Der JET-Tokamak in England erreichte 1997 einen Weltrekord an Fusionsleistung von 16 Megawatt.
Der zentrale Solenoid für den Tokamak ITER wird der größte supraleitende Magnet sein, der je gebaut wurde. Er erzeugt ein Feld von 13 Tesla, was dem 280.000-fachen des Erdmagnetfeldes entspricht.
Häufig gestellte Fragen
Ist ein Tokamak sicher?
Der Fusionsprozess gilt als inhärent sicher, und bei der Konstruktion von Fusionskraftwerken wurde eine Reihe zusätzlicher Sicherheitsmaßnahmen eingebaut. Selbst ein katastrophaler Bruch in einem Tokamak würde nur sehr geringe Mengen an Radioaktivität außerhalb der Anlage freisetzen.
Wie heiß ist ein Tokamak?
Die Temperaturen in einem Tokamak müssen 150 Mio °C erreichen, damit sich das Gas in Plasma verwandelt und die Fusionsreaktion stattfinden kann. Diese hohen Temperaturen sind zehnmal höher als die Temperatur im Kern der Sonne.
Kann ein Tokamak explodieren?
Die Kammer in einem modernen Tokamak wie dem ITER-Tokamak enthält in der Regel weniger als ein Zehntel Gramm Wasserstoffbrennstoff zu einem bestimmten Zeitpunkt. Sollte es während eines Pulses zu einer Störung kommen, kühlt sich die Reaktion sofort ab und endet, was bedeutet, dass eine nukleare Explosion in einem Tokamak wie ITER nicht möglich ist.
Was ist der ITER-Tokamak?
Der ITER-Tokamak ist eine Versuchsanlage mit dem zehnfachen Volumen der Plasmakammer der größten derzeit in Betrieb befindlichen Anlage. Mit einem Plasmaradius von 6,2 m und einem Plasmavolumen von 840 m³ wird der ITER-Tokamak doppelt so groß sein wie die größte derzeit in Betrieb befindliche Anlage und damit der größte Tokamak der Welt.
Wer hat den Tokamak erfunden?
Das Tokamak-Konzept wurde erstmals in den 1950er Jahren von zwei sowjetischen Physikern, Igor Tamm und Andrej Sacharow, entwickelt, die durch einen Brief von Oleg Lavrentiev inspiriert worden waren. Der erste funktionsfähige Tokamak, der T-1, wurde 1958 von Natan Yavlinsky entwickelt.
Woher stammt der Tokamak?
Der erste Tokamak, der T-1, wurde 1958 in Russland in Betrieb genommen. Dies führte zu weiteren Fortschritten und dem anschließenden Bau des Tokamak-Fusionstestreaktors am Princeton Plasma Physics Laboratory und des Joint European Torus in England, die beide in den 1990er Jahren eine Rekordfusionsleistung erreichten.
Wo wird der Tokamak eingesetzt?
Tokamaks werden derzeit nicht zur Energieerzeugung eingesetzt, da die Wissenschaftler noch mehr Energie zum Starten und Aufrechterhalten des Fusionsprozesses benötigen als dadurch erzeugt wird. Man hofft, dass der Tokamak ITER, der in Frankreich gebaut wird, in der Lage sein wird, dies zu erreichen. Nach seiner Fertigstellung wird er der größte experimentelle Tokamak-Kernfusionsreaktor der Welt sein.
Warum brauchen wir den Tokamak?
Bei der Entwicklung des Tokamak geht es um die Möglichkeit, mit der Kernfusion Energie für unsere Städte und die Industrie zu gewinnen. Die für die Fusion verwendeten Brennstoffe sind nahezu unerschöpflich (Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum), und es entstehen keine hochaktiven, langlebigen nuklearen Abfälle. Der Tokamak könnte ein Teil der Lösung für unseren künftigen Bedarf an grüner Energie sein.
Fazit
Ein Tokamak ist eine Versuchsanlage, die eine Kernfusionsreaktion erzeugt, die Energie zum Erhitzen von Wasser und zur Erzeugung von Dampf liefert, der Turbinen zur Stromerzeugung antreibt.
Die Kernfusion hat das Potenzial, saubere und nahezu unbegrenzte Energie zu liefern, wenn die Herausforderungen der Produktion überwunden werden können. Zu diesen Herausforderungen gehört, dass mehr Energie erzeugt werden muss, als für die eigentliche Fusionsreaktion benötigt wird.