Methoden

Die Kernfusion wird erreicht, indem atomare Teilchen mit genügend Energie versorgt werden, um elektrische Abstoßungskräfte zu überwinden. Es werden Energieniveaus von 10 -100 KeV benötigt, wobei 1 eV einer Temperatur von 11600 °K (11326,85 °C) entspricht. Sie könnten erreicht werden, indem auf einzelne Teilchen mit hochenergetischen Strahlen oder Lasern gerichtet oder eine vom Magnetfeld eingeschlossene Gaswolke mit Mikrowellen erhitzt wird. Die erste Methode, die als Trägheitsfusion bekannt ist, würde schnell gepulste Systeme aus vielen parallelen Linien erzeugen. Die zweite Methode, die als magnetische Fusion bekannt ist, ist massiver und kontinuierlicher und eignet sich daher offenbar besser für die Energieerzeugung auf industrieller Ebene.

Die magnetische Fusion wird seit 1950 weltweit untersucht, in Magnetfeldern, die von Kupferleitern hergestellt werden, oder vom Strom der als elektrische Entladung direkt in das Gas fließt. Hohe Temperaturen und Kernreaktionen mit Erzeugung von Neutronen wurden nur für wenige Mikrosekunden erreicht, da Partikel an beiden Enden ausfloss.

Kreismagnete, die als Donuts (d.h. geometrischer Torus) geformt waren, waren nicht gut, weil die Partikel gegen die Wände auf und ab drifteten, bis die Russen einen kreisförmigen Strom im Gas induzierten. Die kreisförmigen Magnetlinien werden spiralförmig und heben die vertikale Partikeldrift auf: Der Tokamak wurde erfunden. Seit 1970 basiert der Großteil der Fusionsforschung in der Welt auf dem Tokamak-Schema.

Nach dem frühen Erfolg und der Verbreitung verbesserte sich der Tokamak langsam bis 1980, als nach der ersten Weltenergiekrise von 1973 einige Kernkraftwerke zu Testzwecken gebaut wurden: der Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) in Princeton NJ-USA und der Joint European Torus (JET) in Cuhlam UK-EU. Beide Systeme haben einen Kern, der einige tausend Kubikmeter breit ist, sie werden von Hunderten von MW angetrieben und sind für einen umfangreichen D-T-Betrieb ausgelegt. Tatsächlich wurden nur wenige symbolische Aufnahmen mit D-T gemacht. Neue Schwierigkeiten führten 1991 zu gemeinsamen Bemühungen weltweit und versuchten, eine Fusion mit einem neuen größeren Tokamak ITER zu erreichen, dessen Bau 2006 begann.

ITER (Akronym für International Thermonuclear Experimental Reactor, auf Deutsch Internationaler Thermonuklearer Versuchsreaktor) zielt darauf ab, thermonukleares Plasma unter brennenden Bedingungen zu untersuchen, aber es ist kein Reaktor, weil es Tritium von außen benötigt. Aus diesem Grund ist nach ITER ein weiterer Prototyp DEMO erforderlich, um die Tritium-Selbstzüchtungskapazität und die elektrische Energieerzeugung nachzuweisen.

Warum Polomac

Die harte Arbeit, die seit den 1970er Jahren zur Verbesserung des Tokamak geleistet wurde, führte zu knappen Ergebnissen, da das Plasma durch den großen Ringstrom gestört wird, der gegenseitige Kräfte mit den anderen Spulen beinhaltet und Instabilitäten auslöst. In der Tat, in den fortgeschrittenen Stellaratoren, die Magnetfelder verwenden, werden nur von externen Spulen ohne Strom im Plasma erzeugt, der Energieeinschluss ist besser. Die Probleme des Stellarators sind: das Design und die Konstruktion der verzogenen Spulen und der enge Abstand zwischen dem Plasma und den Spulen.

Der Polomac benötigt wie der Stellarator keinen Strom im Plasma. Partikeldriften aufgrund der Krümmung der poloidalen Magnetfeldlinien werden akzeptiert, weil sie ins Innere des Plasmas zielen und sich gegenseitig kompensieren. Hier erzeugen die Drifts keine Ladungstrennung.

Das stetige Magnetfeld wird durch externe Spulen erzeugt, die flach und leicht zu bauen sind. Der Polomac unterscheidet sich von früheren geschlossenen poloidalen magnetischen Tests ( z.B. Levitron, Stator, Spherator, JFT-1, Intrap, LDX ) in den magnetischen Tunneln, ein neues Merkmal, das uns endlich zur Kernfusionsenergie bringen könnte.

Niederkunft Effizienz

Der Einschlusswirkungsgrad ist das Verhältnis der Energiedichte des Plasmas zur Energiedichte des Einschlusssystems. Ein brennendes Plasma bei 10 keV und einer Dichte von 10 ^ 20 Partikeln pro Kubikmeter erreicht 0,16 MJ pro Kubikmeter, dh 0,16 MPa. Denken Sie daran, dass die Energiedichte dem Druck entspricht. Die Energiedichte, die dem Ringfeld von ITER 5,3 T entspricht, beträgt 11,17 MPa. Die Energieeffizienz des Tokamak beträgt dann 0,16 MPa gegenüber 11,17 MPa, was 1,4% entspricht. Dieser Parameter wird normalerweise als Beta bezeichnet.

Stattdessen sollte der Polomac die Effizienz des Theta-Pinchs replizieren und mit Beta bis zu 0,7-0,8 arbeiten. Bereits mit Beta 0,5 und einem Magnetfeld von 3 T könnte es Plasma bei 100 keV einfangen.

Deuterium zu
Deuterium
Reaktion

Während des Betriebs mit hohem Beta mit einer Erhöhung der Einschlusszeit um 10 in Bezug auf die gegenwärtigen Werte der Tokamaks, d.h. von 5 bis 50s, kann der Polomac Energie aus der D-D-Reaktion gewinnen, ohne Bereitstellung von externem Tritium.

Nach dem Lawson-Kriterium für die Verbrennung von Plasma muss das dreifache Produkt aus Dichte, Temperatur und Energieeinschlusszeit für die D-D-Reaktion fast 200-mal größer sein als in der D-T-Reaktion, die die aktuelle Referenz in ITER und in DEMO ist. Die Erhöhung der Temperatur von 10 auf 100 KeV und der Einschlusszeit von 5 auf 50 s zusammen mit einigen höheren Dichten kann das Lawson-Kriterium berücksichtigen.

Da der Querschnitt der D-D-Reaktion etwa 100-mal niedriger ist als D-T, könnte die Größe des entsprechenden Reaktors größer sein, obwohl ein besserer Einschluss und höhere Betriebsparameter, die im Polomac erwartet werden, eine Leistungsdichte von 1-3 MW/m3 ermöglichen sollten, wie derzeit in den Tokamak-Reaktorstudien angenommen. Sicherlich ist ein D-D-Reaktor einfacher, weil er jede Zuchtmantel benötigt, um Tritium zu produzieren.

Der Bau eines großen Polomac ist als Tokamak nicht anspruchsvoll, da es nur ein System von flachen Spulen gibt, die bei 3T arbeiten. Der Supraleiter ist Nb-Ti anstelle von Nb-Sn, daher ist die Spulenherstellung leichter.