Kontrollierte Kernfusion - von den Sternen ins Labor
Lecturer: Prof. Dr. R. Wolf
Time: Thursday 12-16, Place: Eugene-Paul-Wigner-Gebäude der TU, Hardenbergstr. 36, MA 545, Begin: 2012-04-12 (biweekly)
Language: English/German
Content:
Die Energieerzeugung in den Sternen beruht auf der Fusion leichter Atomkerne. In der Sonne verschmelzen in einer komplexen Abfolge von Fusionsreaktionen vier Wasserstoffkerne zu Helium. Die dabei auftretende Massendifferenz wird in Energie umgewandelt. Die notwendigen Reaktionsbedingungen entstehen im Gleichgewicht zwischen Gravitationsdruck und innerem Gas- bzw. Plasmadruck. Am Ende der Sternenentwicklung, wenn der Brennstoff aufgebraucht ist, steht je nach Masse des Sterns ein Weißer Zwerg, ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch.
Auf der Erde gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten Kernfusion mit einer positiven Energiebilanz zu erzeugen. Bei der Inertialfusion wird einem kleinen Brennstoffpellet soviel Energie zugeführt, dass die Kernfusion in Gang gesetzt wird. Der Plasmadruck wird dabei kurzfristig durch die Massenträgheit des Gases selbst aufrechterhalten. Um hydrodynamische Instabilitäten zu vermeiden, muss die Energiezufuhr allerdings sehr symmetrisch erfolgen. Außerdem muss das Pellet eine Mindestgröße haben, damit die Reaktionsbedingungen überhaupt erfüllt sind, darf aber auch nicht zu groß sein damit die entstehende Energiemenge noch beherrschbar bleibt. Die Magnetische Fusion beruht auf dem stationären Einschluss eines Fusionsplasmas in einem starken Magnetfeld. Im Gegensatz zu Inertialfusion, bei der Bedingungen ähnlich wie im Sonneninneren vorherrschen, sind deutlich höhere Temperaturen von etwa 100 Mio. Kelvin notwendig. Allerdings ist der Plasmadruck nur im Bereich einiger Atmosphären. Führende Experimente, die erstmalig brennende Fusionsplasmen auf der Erde erzeugen sollen, sind die National Ignition Facility (NIF) in den USA und das ITER Experiment in Südfrankreich.
Die Vorlesung führt in die Grundlagen der Kernfusion ein. Ausgehend von der Beschreibung der Fusionsprozesse in den Sternen und deren Lebenszyklus bis hin zu Supernovae, die für die Synthetisierung der schweren Elemente verantwortlich gemacht werden, werden die Möglichkeiten diskutiert, Fusion als Energiequelle auf der Erde einzusetzen. Viele physikalische Prozesse, wie sie in diesen Laborplasmen beobachtet werden, sind dabei auch wichtig für die Erklärung von Phänomenen in den Sternen.
Conditions:
Knowledge of physics and mathematics.
Performance:
Two-hour lecture
Target group:
Postgraduate lecture on astronomy and astrophysics. Advanced lecture of the module Astronomy and Astrophysics (Physics/Master). Open also for all students with interest in astronomy and astrophysics.