Tokamak

Mit Tokamak wird ein Typ von Fusionsreaktor bezeichnet. Das Wort ist eine Transliteration des russischen Wortes токамак, das eine Abkürzung für „тороидальная камера в магнитных катушках“ /'tɔraidalʲnaia kamʲɛra v magnitnɨx katuʃkax/ ist. Das bedeutet wörtlich übersetzt toroidale Kammer in Magnetspulen. Auch bedeutet der erste Teil der Abkürzung ток im Russischen Strom - ein entscheidendes Charakteristikum eines Tokamaks, das seine Funktionsweise beschreibt.    

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Allgemein

In einem Fusionsreaktor dieses Typs wird ein heißes Plasma aus Wasserstoff-Isotopen bei etwa 100 Millionen Kelvin durch ein Magnetfeld in toroidaler Form gehalten (siehe nebenstehende Abbildung), ohne dass das Plasma die Reaktorwände berührt. Das verhindert die Abkühlung und Verunreinigung des Plasmas.

Im Fusionsreaktor tritt ab einer bestimmten Temperatur und Teilchendichte eine kontrollierte, kettenreaktionsartig ablaufende Kernfusion auf. Um die zum Einschluss nötige Verdrillung der Magnetfeldlinien zu erreichen, wird im Plasma durch einen großen Transformator ein elektrischer Strom induziert. Dieser stellt gleichzeitig eine ohmsche Heizung für das Plasma dar. Da man nicht ständig den Stromfluss in den Magnetspulen steigern kann, muss dieser von Zeit zu Zeit abgeschaltet werden. Hierdurch geht der Plasmaeinschluss verloren und die Kernfusion kommt zum erliegen. Weitere Heizmethoden sind der Einschuss von neutralen Teilchen (Neutralteilcheninjektion) und das Einstrahlen elektromagnetischer Strahlung auf der Resonanzfrequenz der Elektronen (ECRH) bzw. der Ionen (ICRH).

Für eine wirtschaftliche Netto-Energiegewinnung müssen die Magnetspulen eines Fusionsreaktors aus Supraleitern bestehen, damit ihr elektrischer Energieverbrauch gering bleibt.

Geschichte

Das Tokamak-Prinzip wurde von den sowjetischen Physikern Andrei Sacharow und Igor Jewgenjewitsch Tamm im Jahr 1952 erfunden. Noch im selben Jahrzehnt wurden die ersten Tokamak-Experimente in der Sowjetunion durchgeführt.^[1]

Andere Reaktorkonzepte

Eine alternative Form eines Fusionsreaktors ist der Stellarator, bei dem auch der poloidale Anteil des einschließenden Magnetfeldes nicht durch einen im Plasma fließenden Strom, sondern durch externe Spulen erzeugt wird. Obwohl ein Stellarator im Gegensatz zum gepulsten Betrieb eines Tokamaks beliebig lange Plasma-Entladungen erlauben würde, wird zurzeit das Tokamak-Prinzip erfolgreicher erforscht, da die optimale Spulengeometrie eines Stellarators sehr kompliziert (vgl. Wendelstein 7-X) ist und erst in jüngerer Zeit dank leistungsfähiger Computerprogramme hinreichend genau konstruiert werden kann.

Aktuelle Forschung

Mit Tokamaks konnte bereits vielfach eine kettenreaktionsartig ablaufende Kernfusion erreicht werden, jedoch ist es bisher nicht gelungen, dabei mehr Energie zu erzeugen, als eingesetzt wurde.

Der zurzeit größte Tokamak ist der Joint European Torus in Culham (nahe Oxford), Großbritannien. 2005 wurde der Bau der nächst größeren Tokamakanlage ITER im südfranzösischen Cadarache beschlossen. Diese wird den Netto-Energiegewinn demonstrieren, aber noch keine elektrische Energie produzieren. Das erste vollständige Fusionskraftwerk wird die Nachfolgeanlage DEMO sein.

In Deutschland wird zurzeit an zwei großen Tokamaks geforscht: ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching bei München und TEXTOR am Forschungszentrum Jülich.

Siehe auch

• Bläschenfusion
• Fusion mittels magnetischen Einschlusses
• ITER
• Kalte Fusion
• Kernfusionsreaktor
• Stellarator
• Trägheitsfusion
• Z-Maschine

Quellen

1. ↑ Startschuss für Fusionsreaktor – Artikel bei heise online, vom 22. November 2006