☢️ Kernfusion — Tokamak & Lawson-Kriterium

Die D+T-Reaktion hat bei den niedrigsten Temperaturen den größten Wirkungsquerschnitt aller Fusionsbrennstoffe und ist daher am leichtesten zu zünden. Sie verschmilzt zwei Wasserstoffisotope zu Helium-4 (mit 3,5 MeV) und einem schnellen Neutron (14,1 MeV), wobei insgesamt 17,6 MeV freigesetzt werden. Dieses Neutron trägt den größten Teil der Energie und würde in einem echten Reaktor einen Mantel erhitzen, um Strom zu erzeugen.

Die Temperatur T legt fest, wie energiereich die Ionen in keV sind, und bestimmt, wie oft sie ihre gegenseitige Abstoßung überwinden, um zu verschmelzen. Die Dichte n legt fest, wie viele Brennstoffionen jeden Kubikmeter besetzen. Die Einschlusszeit τ legt fest, wie lange das Plasma seine Energie behält, bevor sie entweicht. Alle drei werden im Tripelprodukt multipliziert, sodass die Erhöhung jeder einzelnen hilft, die Lawson-Schwelle zu erreichen.

Plasmatemperaturen werden als Energien angegeben, wobei 1 keV etwa 11,6 Millionen Kelvin entspricht. Der Standardwert von 10 keV liegt also bei etwa 116 Millionen Grad, weit heißer als das Zentrum der Sonne. Fusionsgeräte benötigen solche Extreme, weil die Brennstoffionen schnell genug sein müssen, um die Coulomb-Barriere zwischen ihren positiven Ladungen zu durchtunneln.

Die Fusionsleistungsdichte skaliert etwa mit 0,25 x n² x Reaktivität x E_fus, wobei die Reaktivität der temperaturabhängige Mittelwert aus Wirkungsquerschnitt mal Geschwindigkeit ist und E_fus die pro Reaktion freigesetzten 17,6 MeV sind. Die Heizleistungsdichte wird als 3nT/τ modelliert. Ihr Verhältnis ergibt Q. Die Reaktivität verwendet eine parametrische Anpassung an Standard-D-T-Daten aus dem NRL Plasma Formulary.

Die Zusammenhänge und Größenordnungen sind realistisch und basieren auf Standard-Fusionsformeln, sodass sie die echten Kompromisse zwischen Temperatur, Dichte und Einschluss vermitteln. Die Reaktivität ist jedoch eine vereinfachte Anpassung, und das Leistungsmodell vernachlässigt Strahlungsverluste, Verunreinigungen, Geometrie und Instabilitäten. Es ist ein pädagogisches Werkzeug, kein Reaktordesign-Code.

Heißes Plasma verliert ständig Energie durch Turbulenz, Wärmeleitung und Strahlung, sodass es schwierig ist, es auch nur für eine Sekunde einzuschließen. Tokamaks nutzen starke Magnetfelder aus toroidalen und poloidalen Spulen, um die geladenen Teilchen auf verschachtelten magnetischen Flächen einzufangen. Plasmainstabilitäten, Disruptionen und Wärmelasten an den Wänden verkürzen τ allesamt unter das theoretische Ideal.

Ja. Im Jahr 2022 erzielte die National Ignition Facility, die laserbetriebenen Trägheitseinschluss statt eines Tokamaks nutzt, eine Fusionsenergieausbeute, die die dem Brennstoff zugeführte Laserenergie übertraf. Magnetisch eingeschlossene Tokamaks wie JET haben für kurze Pulse große Fusionsleistung erzeugt, und ITER wird gebaut, um ein anhaltendes Q von etwa 10 zu erreichen.

Fusion verspricht reichlich Brennstoff, da Deuterium im Meerwasser reichlich vorhanden ist und Tritium aus Lithium erbrütet werden kann, ohne langlebigen hochradioaktiven Abfall und ohne Risiko einer außer Kontrolle geratenen Kernschmelze. Eine einzelne Fusionsreaktion setzt millionenfach mehr Energie pro Kilogramm frei als das Verbrennen fossiler Brennstoffe. Die Beherrschung des Lawson-Kriteriums ist der zentrale Schritt hin zu praktischer Fusionselektrizität.