Ein Kernfusionsreaktor, oder einfach Fusionsreaktor, ist eine technische Einrichtung, in der eine kontrollierte Deuterium-Tritium-Kernfusion, eine sogenannte Proton-Proton-Reaktion, im Dauerbetrieb abläuft. Dies dient zur Stromerzeugung auf relativ begrenztem Raum in großen Mengen, wie sie z.B. an Bord überlichtschneller Raumschiffe benötigt wird.
Das Funktionsprizip ist dabei Folgendes:
Um den Prozess in Gang zu bringen, wird in das viele Kubikmeter große, völlig evakuierte Reaktionsgefäß, welches eine Magnetische Einengung besitzt, einige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gasgemischs eingelassen und anschließend aufgeheizt, bis ein Plasma entsteht.
Bei einer Plasmatemperatur von etwa 150 Millionen Grad Celsius und einer Teilchendichte von 1020 m−3 findet dann im Reaktorring die Fusionsreaktionen statt. Der bei der DT-Reaktion gebildete Heliumkern gibt seine Energie – ein Fünftel der gesamten Energieausbeute der Kernreaktion, also 3,5 MeV – durch Stöße an das Plasma ab und heizt es auf. Mit zunehmender Temperatur und Dichte steigt die Umsatzrate der Fusionsreaktion.
Beim Aufheizen des Plasmas auf 150 Millionen Grad bewegen sich alle Teilchen im Plasma, der jeweiligen Temperatur entsprechend, mit sehr hoher Geschwindigkeit durch die Ringkammer.
Das Magnetfeld kommt erst mit dem Zustandekommen des Plasmas zur Wirkung, weil es nur elektrisch geladene Teilchen in gewünschte Bahnen lenken kann. Die Teilchendichte entspricht einem Hochvakuum: Das Plasma übt jedoch wegen seiner hohen Temperatur einen Druck der Größenordnung 1 Bar aus und muss durch das Magnetfeld gegen diesen Druck zusammen gehalten werden, um nicht mit der Gefäßwand in Berührung zu kommen. Dabei werden die Magnetfelder mit großen, stromdurchflossenen Magnetspulen erzeugt. Deren Form und Anordnung bestimmen die Form des Plasmas; die Stromstärke in den Spulen bestimmt die Stärke des Magnetfeldes und damit sowohl die Größe des Plasmas als auch die Teilchendichte und dadurch wiederum auch den Druck darin.
Ein Aufschaukeln auf zu hohe Temperaturen durch vermehrte Fusionen und dadurch weiteres Aufheizen ist bei diesem Prozess nicht möglich, da das konstante Magnetfeld nicht in der Lage ist, das damit verbundene Aufblähen des Plasmas zu verhindern; das Plasma würde dann sofort auskühlen, insbesondere bei Kontakt mit der Gefäßwand. Die erwünschte Fusionsrate ist so mittels der jeweils vorgegebenen Magnetfeldstärke einstellbar und bleibt damit bei gleichbleibender Temperatur und gleichbleibender Brennstoffnachfüllung konstant.
Mit der Entwicklung von Energiefeldern, die undurchlässig für Materie sind (um das Jahr 2458 herum), sind die Ringröhrenreaktoren nach und nach durch Kugelkammerreaktoren ersetzt worden. Dieser Reaktortyp ist einerseits effizienter und andererseits durch seine einfachere Bauweise Kostengünstiger. Zudem nimmt ein Kugelkammerreaktor um bis zu 50% weniger Platz ein, was besonders für den Betrieb auf Raumschiffen von Vorteil ist.
Anmerkungen[]
Quellen: Wikipedia; Fritjof Capra: "Das Tao der Physik"