Es geht darum, Atomkerne zu verschmelzen indem man sie mit den richtigen Geschwindigkeiten, also hot, häufig genug nahe aneinander bringt.
TLDR: Was heißt hier "besser": in heißem Plasma haben die Teilchen verschiedene Geschwindigkeiten. Aber nur ein paar Prozent am oberen Ende haben die richtige Geschwindigkeit für Fusion. Man muss dafür sorgen, dass die meisten die richtige Geschwindigkeit/Energie haben, dann weniger Schwund, kleineres Gerät, viel günstiger.
Fusion geht nicht nur mit dem Tokamak oder mit Lasern. Aber in der Presse kommen immer nur diese 3 vor:
- Tokamak, also ITER
- Laser Fusion, d.h. USA National Ignition Facility
- In deutschen Medien auch Wendelstein 7-X in Greifswald, weil wir da stolz drauf sind. Wir behaupten zwar, dass der nie Energie machen soll und nur der Forschung dient, aber insgeheim halten wir es für möglich, dass ITER scheitert und am Ende Deutschland mit dem Stellarator vorne liegt.
Grundsätzlich will man eigentlich nur Verfahren, die p-B11 Fusion ermöglichen, weil p-B11 neutronenfrei abläuft, im Gegensatz zu D-T oder He3 Prozessen. p-B11 erzeugt 3 Alphateilchen, die man direkt in Strom umwandeln kann, komplett ohne Neutronen. D-T muss Neutonen abbremsen, um Dampf zu erzeugen. Gleichzeitig wird damit alles radioaktiv. He3 ist zwar besser als D-T (immerhin ein Alpha) aber macht trotzdem auch ein 14 MeV Neutron. Das ist unschön, braucht Abschirmung, auch nicht toll für Raumfahrt. p-B11 dagegen braucht kaum Abschirmung, nur ein gutes Vakuum. Das ist perfekt für Raumfahrt.
Allerdings: p-B11 braucht mehr Teilchenenergie. Kein Problem wenn man Protonen und Bor-Ionen durch Spannungsgefälle beschleunigt. Aber schwierig bei thermalisierten Plasmen (braucht 1 Milliarde Grad statt 100 Millionen), weil Thermalisierung eine ungünstige Geschwindigkeitsverteilung macht bei der nur wenige Prozent des Plasmas schnell genug sind, um zu fusionieren. Alle anderen Teilchen sind Ballast, der für Strahlungsverluste sorgt und das Heizen erschwert. Das disqualifiziert eigentlich Verfahren, die auf Hitze in magnetisch komprimiertem Plasma basieren. Deshalb meine ich dass Tokamak falsch ist. Auch mit He3. Damit entfällt auch die ganze He3-Stripmining-auf-dem-Mond Sache.
Andere physikalisch bessere Ansätze:
- Dense Plasma Focus, ca. 8 Million USD Finanzierung. Vielversprechender Ansatz der die Instabilität von Magnetfeldern in Plasma nutzt, statt sie zu bekämpfen. Ziel: 5 MW Reaktor so groß wie ein Container. Ist sehr schön für dezentralisierte Stromversorgung. Etwas Fringe, weil drastisch unterfinanziert und weil der Gründer aussieht wie ein verrückter Wissenschaftler. Aber er weiß was er tut. http://en.wikipedia.org/wiki/Dense_plasma_focus
- Inertial Electrostatic Confinement: Protonen auf Fusionsgeschwindigkeit beschleunigen durch eine Spannungsdifferenz. Derzeit keine Finanzierung, aber ein schöner Prototyp, der mit 200 Millionen USD hochskaliert werden müsste. Nicht günstig, aber 100x günstiger als ITER. Ziel: 100 MW Reaktor so groß wie ein Haus, immerhin einer pro Stadtteil und nicht wie heutige Kraftwerke 1000 MW Großtechnik. https://en.wikipedia.org/wiki/Polywell
- Field Reverse Configuration: zig-Millionen USD private Finanzierung, Beschleunigung der Protonen durch Magnetfelder, im Prinzip gegeneinander gerichtete Plasma-Kanonen. Auch eher Container-Größe. Allgemein zu FRC hier: http://en.wikipedia.org/wiki/Field-reversed_configuration praktisch z.B. https://en.wikipedia.org/wiki/TAE_Technologies
- General Fusion: zig-Millionen private Finanzierung. Spektakuläres Konzept, dampfgetriebene Rammen machen Schockwellen in einer rotierenden Kugel aus geschmolzenem Blei. In der Mitte irgendwo Plasma und Fusion. https://en.wikipedia.org/wiki/General_Fusion
Daneben gibt es immer wieder Firmen, die behaupten den Tokamak besser zu können als ITER. Die Chinesen haben einen, weil ihnen ITER zu lange dauert. Lockheed Martin ist immer wieder in der Presse. Es ist nicht klar, warum die wahrgenommen werden, aber andere Fusion-Projekte nicht. Viele glauben, dass Lockheed hier nur die Reputation von Lockheed Martin's Skunk Works nutzt um den Aktienkurs zu pushen.
Auf der anderen Seite kann man davon ausgehen, dass einige Technologien von ITER veraltet sind bis das Ding läuft und dass man jetzt einen Tokamak beginnen könnte, der zeitglich mit ITER online geht zu 1/20 der Kosten. Tokamak ist und bleibt aber teure Großtechnik mit Dampfturbine und Neutronenaktivierung der inneren Struktur.
Hitze und damit Thermalisierung muss man unbedingt vermeiden. Deshalb sollte man gar nicht in Millionen Grad Kelvin rechnen, sondern besser Ionen mit genau der richtigen Energie und Geschwindigkeit erzeugen, z.B. 600 keV Bor-Ionen für p-B11 Fusion. 600 keV ist anspruchsvoll, aber nicht neu. Bor hat 6 Protonen, also braucht man ein 100 kV Spannungsgefälle. Das ist weniger als bei Überlandleitungen und etwas mehr als eine typische Röntgenröhre. Also bekannte Technik.
Wir müssen nur endlich vom Tokamak weg und dann liegt Fusion nicht immer 30 Jahre in der Zukunft.
