ich habe mich vor ein paar tagen mal mit dem fusionsreaktor tokamak (nachzulesen bei wikipedia) beschäftigt, weil ich dieses thema sehr interessant finde. allerdings blieb bei mir da eine frage offen.
wenn dieses plasma auf eine temperatur von 100 mill. °C erwärmt wird, entsteht doch auch eine gewisse wärmestrahlung bis in einige meter entfernung und würde umliegende „bauteile“ beschädigen. wird diese wärmestrahlung, welche ja eine elektromagnetische welle ist, ebenfalls durch das magnetfeld abgehalten oder wie wird die eingedämmt?
wenn dieses plasma auf eine temperatur von 100 mill. °C
erwärmt wird, entsteht doch auch eine gewisse wärmestrahlung
bis in einige meter entfernung und würde umliegende „bauteile“
beschädigen. wird diese wärmestrahlung, welche ja eine
elektromagnetische welle ist, ebenfalls durch das magnetfeld
abgehalten oder wie wird die eingedämmt?
Elektromagnetische Strahlung kann man durch ein Magnetfeld nicht abhalten. Die Wände müssen die Strahlung also aushalten. Dafür müssen sie natürlich gekühlt werden, wodurch die Kühlflüssigkeit (Wasser?) erhitzt wird. Sollte ein Fusionsreaktor eines Tages tatsächlich wirtschaftlich Energie erzeugen, dann ist das genau der Anknüpfungspunt für die Stromerzeugung.
Neben der Kühlung rettet die Wände noch ein zweiter Effekt: Der heiße Plasmatorus ist räumlich einigermaßen begrenzt, so dass ein gewisser Abstand zwischen Plasma und Wand besteht. Die Strahlungsintensität nimmt mit dem Quadrat des Abstandes ab. Das bedeutet: Die Wärmestrahlung ist in 1 m Entfernung 100mal weniger intensiv als in 10 cm Entfernung und 10.000mal weniger intensiv als in 1 cm Entfernung.
ich habe mich vor ein paar tagen mal mit dem fusionsreaktor
tokamak (nachzulesen bei wikipedia) beschäftigt, weil ich
dieses thema sehr interessant finde. allerdings blieb bei mir
da eine frage offen.
wenn dieses plasma auf eine temperatur von 100 mill. °C
erwärmt wird, entsteht doch auch eine gewisse wärmestrahlung
Wie Michael schon sagt: die Wärme ist exakt das, was man haben will. Jedes Kraftwerk, ob Kohle, (Bio-)Gas oder Kernkraft, basiert darauf, daß (meist) Wasser verdampft wird, welches dann eine Turbine antreibt, die den Strom erzeugt. Daß da evtl. noch irgendwelche Regel- oder Sekundärkreise etc. zwischengeschaltet sind, sind nur Details.
EM-Strahlung läßt sich durch Magnetfelder nicht abschirmen. Oder hast Du schon 'mal gesehen, daß Licht von einem Magneten abgelenkt wird?
Die Temperatur des Plasmas beträgt zwar ettlich Millionen K,
aber die Masse des Plasmas ist sehr gering, sodaß die
Wärme menge auch nicht so hoch ist.
Ich nehme an, dass Du mit „Wärmemenge“ in Wirklichkeit Innere Energie meinst. Die Wärmemenge - also die (nicht in Form von Arbeit) abgegebene Energie - hängt natürlich nicht von der Masse des Plasmas ab. Wenn das Plasma ein schwarzer Strahler wäre, müsste man nach Stefan-Boltzmann annehmen, dass die Strahlungsleistung proportional zu T^4 ist. Ich habe aber Zweifel, ob man ein Plasma dieser Temperatur und dieses geringen Drucks als „Schwarzer Strahler“ bezeichnen kann.
Für weitere Nachfragen verweise ich an den Plasmaphysiker Ihres Vertrauens!
Neben der Kühlung rettet die Wände noch ein zweiter Effekt:
Der heiße Plasmatorus ist räumlich einigermaßen begrenzt, so
dass ein gewisser Abstand zwischen Plasma und Wand besteht.
Die Strahlungsintensität nimmt mit dem Quadrat des Abstandes
ab. Das bedeutet: Die Wärmestrahlung ist in 1 m Entfernung
100mal weniger intensiv als in 10 cm Entfernung und 10.000mal
weniger intensiv als in 1 cm Entfernung.
Irgendwie hat da einer von uns einen Denkfehler:
Die Abnahme im Quadrat trifft doch nur für kugelförmige 3D Ausbreitung zu.
Hier haben wird aber einen Zylinder und das Plasma bildet eine „Faden“ in der Mitte. Insofern kann man die Länge des Zylinders weglassen und das Ganze nur in 2D betrachten.
Dann verteilt sich aber die Energie nach 2*r*Pi auf die Fläche, verändert sich also linear mit dem Abstand.
Hier haben wird aber einen Zylinder und das Plasma bildet eine
„Faden“ in der Mitte. Insofern kann man die Länge des
Zylinders weglassen und das Ganze nur in 2D betrachten.
Dann verteilt sich aber die Energie nach 2*r*Pi auf die
Fläche, verändert sich also linear mit dem Abstand.
Die Energie wird aber doch unweigerlich dreidimensional abgestrahlt. Wenn die Rechnung stimmt, müsstest Du auch die ganze abgegebene Energie in die Ebene zwängen (welchen Bruchteil willst Du sonst analog zur dritten Dimension weglassen?).
Würde man den Plasma-Ring im Torus so auf zwei Dimensionen beschränken, würde die Energie pro Flächeneinheit auf der Innenseite des Torus größer sein als am Plasmaring selbst.
Egal ob als Ring oder Faden kann man das Plasma aber auch als Kette von Punktstrahlern betrachten.
bei solchen Betrachtungen muß man immer das Verhältnis von
Abstand und Strahlerabmessungen sowie dessen Form beachten.
Hier haben wird aber einen Zylinder und das Plasma bildet eine
„Faden“ in der Mitte.
Das ist eine spezielle Eigenheit vom Tokamak.
Insofern kann man die Länge des
Zylinders weglassen und das Ganze nur in 2D betrachten.
Dann verteilt sich aber die Energie nach 2*r*Pi auf die
Fläche, verändert sich also linear mit dem Abstand.
Die Energie wird aber doch unweigerlich dreidimensional
abgestrahlt. Wenn die Rechnung stimmt, müsstest Du auch die
ganze abgegebene Energie in die Ebene zwängen (welchen
Bruchteil willst Du sonst analog zur dritten Dimension
weglassen?).
Das Abstandsgesetz gilt tatsächlich nur für die Bedingung,
Abstand >> Strahler , was idealisiert natürlich für Punktstrahler
gilt.
Tokamak muß eher als Linienstrahler betrachtet werden.
Vergößerung des Abstandes ist dann sowieso nur sehr begrenzt
möglich, wenn die torodiale Form der Kammer erhalten bleiben soll.
Würde man den Plasma-Ring im Torus so auf zwei Dimensionen
beschränken, würde die Energie pro Flächeneinheit auf der
Innenseite des Torus größer sein als am Plasmaring selbst.
Das ist ziehmlich unplausibel.
Egal ob als Ring oder Faden kann man das Plasma aber auch als
Kette von Punktstrahlern betrachten.
Tja, eine Kette von (unendliche vielen) Punktstrahlern ist dann
tatsächlich kein Punktstrahler mehr.
Gruß Uwi
Die Abnahme im Quadrat trifft doch nur für kugelförmige 3D
Ausbreitung zu.
Das stimmt so nicht. Die Oberfläche jedes Körpers steigt bei einer Streckung quadratisch mit dem Streckungsfaktor. Was ich übersehen hatte, war dass die Ausdehnung des Strahlers linear ansteigt und damit der Absorber im Verhältnis zum Strahler nur linear ansteigt.
Die Wärmemenge - also die (nicht in Form von
Arbeit) abgegebene Energie - hängt natürlich nicht von der
Masse des Plasmas ab.
Doch, das tut sie.
Wenn das Plasma ein schwarzer Strahler wäre
Ist es aber nicht.
müsste man nach Stefan-Boltzmann annehmen, dass die
Strahlungsleistung proportional zu T^4 ist. Ich habe aber
Zweifel, ob man ein Plasma dieser Temperatur und dieses
geringen Drucks als „Schwarzer Strahler“ bezeichnen kann.
Die thermische Strahlung eines beliebigen Körpers ergibt sich nach dem Kirchhoffschen Gesetz aus dem Emissionsspektrum eines schwarzen Strahlers gleicher Geometrie durch Multiplikation mit seinem Absorptionsspektrum. Letzteres ist abhängig von der Stoffmenge. Nach Lanbert-Beer gilt für die Absorption I/I0 = exp(-k·n/A). Bei gleicher Fläche A und gleichem Absorptionskoeffizient k ist die Transmission T=I/I0 also um so höher, je größer die Stoffmenge n ist. Die Absorption A=1-T sinkt also mit der Stoffmenge und mit ihr nach dem Kirchhoffschen Gesetz auch die Emission. Da die in Fusionsreaktoren verwendeten Plasmen extrem dünn sind, ist also auch die Wärmeabstrahlung viel kleiner als bei einem vergleichbaren schwarzen Strahler. In diesem Punkt hat Gandalf also vollkommen Recht. Wäre das Plasma ein schwarzer Strahler, könnte man es vermutlich gar nicht auf mehrere Millionen Kelvin aufzuheizen, weil es schon bei viel niedrigeren Temperaturen mehr Wärme abstrahlen würde, als man hinein pumpen kann.