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3.1 Fusion im Himmel und auf Erden 3.11 Bindungsenergie und Fusionsreaktionen. 3.12 Aktueller Stand der Plamaphysik: kurz vor der Zündung 3.121 Die Zündbedingung.

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1 3.1 Fusion im Himmel und auf Erden 3.11 Bindungsenergie und Fusionsreaktionen Aktueller Stand der Plamaphysik: kurz vor der Zündung Die Zündbedingung des Plasma 3.13 Wege zur Plasmazündung (Einschluss) Magnetischer Einschluss im Torus.1311 Tokamak.1312 weiterführende Einschlusskonzepte: Stellarator ( Trägheitseinschluss) ( Schwerkrafteinschluss [Sonne]) 3.14 Plasma-Aufheizung 3.15 Auf dem langen Marsch zum Kraftwerk 3.16 Einige technologische Brennpunkte 3.17 Sicherheit der Fusion 3.18 Der Zwischenspurt zum ITER

2 Bindungsenergie und Fusionsreaktionen 3.11

3 Bindungsenergie pro Nukleon Quelle: /Taube 1988 : Materie, Energie..,; Hirzel Verlag; Abb. 6.14; p.235 Fusion Spaltung

4 Brutreaktionen in Lithium 7 Li + n --> 4 He + t + n [MeV] 6 Li + n --> 4 He + t [MeV] Vorkommen: 92.6% als 7 Li und 7.4% als 6 Li d-t Reaktion: d + t --> 4 He + n [MeV] wobei : 3.51 (He) ( n) = [MeV] Die heute technisch interessante Fusionsreaktion /Hamacher,T.: Stand und Perspektiven der Fusion ; DPG-AKE-1997, 57-76; p / und / Pinkau,K. Stand... der..Fusionsforschung;DPG-AKE 1996; p.200/

5 Aktueller Stand der Plamaphysik : kurz vor der Zündung 3.12

6 Das Lawson Kriterium: Tripelprodukt Praktische Zündbedingungen: Plasmadichte ca Teilchen pro cm 3 Energieeinschlusszeit 1- 2 [s] Plasmatemperatur [M K] Quelle:Milch,I.:Die Sonne auf die Erde holen, PhiuZ 26 (1995),Heft 2,p.69-74; p7; und IPP 1995; Kernfusion- berichte aus der Forschung; p.9; IPP_Kernfusion1995.ppt Zur Zündung müssen : ausreichend viele Teilchen [Plasmadichte n ] oft [ Energieeinschlusszeit ] und heftig genug [Temperatur T ] miteinander zusammenstoßen. Zündkriterium (Lawson): n * * T >= 6* [cm -3 s MK ]

7 Die zeitliche Entwicklung bei der Annäherung an die Zündbedingung Quelle: Forschung- ergänzt unter Benutzung von /Diekmann-Heinloth 97,Abb. 10.2;p291/ Japan: JT 60; JT 60U USA: TFTR (Princeton) D III D (San Diego) Alcator (Boston) Russland: T3; T10 Deutschland: (IPP-Garching): ASDEX; ~ upgrade Wendelsstein 7-AS, 7-X (Greifswald) Isar EU + Japan+Russland u.a: ITER: inVorplanung; Zündung ( Internationaler Thermonuklearer Experimentalreaktor) JET = Joint European Torus : (Culham GB)

8 Stand der Plasmaphysik: Rekord-Schüsse bei JET

9 Wege zur Plasmazündung 3.13

10 Physikalische Aufgaben : 1. n * : Einschluß eines ausreichend dichten Plasmas über ausreichend lange Einschlusszeit 2. T : Aufheizen des Plasmas Zündkriterium (Lawson): n * * T >= 6* [cm -3 s MK ]

11 Wege zur Plasmazündung 1. Magnetischer Einschluss Lange Einschlusszeit bei niedriger Dichte einige m 3 Plasma im magnetichen Einschluss für einige Sekunden Tokamak, Stellarator 2. Trägheitseinschluss Kurze Einschlusszeit bei hoher Dichte Laserlicht oder Teilchenstrahlen verdichten Brennstofftröpfchen für kurze Zeit auf sehr hohe Dichte: MikroSonne 3. Schwerkrafteinschluss Sonne und Sterne aber für irdische verhältnisse sehr ungewöhnliche Betriebsparameter 4. Myonkatalytische Fusion ( noch sehr Phantasie bewehrt) Hüllelektronen durch 210 mal schwerere Myonen ersetzt, dadurch kleinerer Atomdurchmesser ; Einschnürung auf Fusionsabstände Quelle: /Diekmann-Heinloth 97:Energie,p ; 301ff;

12 Magnetischer Einschluss im Torus: Tokamak

13 Quelle: Pinkau,K.:Stand und Perspektiven der Fusionsforschung; DPG_AKE 1996; p ;Abb.6;p.205 un p.185ff

14 ITER 12 m

15 Quelle: Pinkau,K.:Stand und Perspektiven der Fusionsforschung; DPG_AKE 1996; p ;Abb.9;p.208 und p.186; und Milch,I. PhiuZ 26 (1995),69-74; p.70 In einem Stellarator fließen alle das Plasma einschließenden Ströme in geeignet geformten raumfesten äußeren Spulen. Stellaratoren benötigen daher keine Apparaturen zur Erzeugung und Kontrolle des Plasmastromes. Stromabbrüche können nicht auftreten und das Plasma liegt ohne Lageregelung stabil. Stellaratoren sind von vorneherein für Dauerbetrieb geeignet.

16 Sicherheit der Fusion * Tritium * Unfälle * Radiotoxische Abfälle 3.17

17 TRITIUM Halbwertszeit: 1/2 = 12,3 JAHRE ß-STRAHLER (18,6 KV) H 3 ( ) He 3 BIOLOGISCHE HALBWERTSZEIT IM MENSCHLICHEN KÖRPER FÜR: KÖRPERWASSER (CA. 92 %) 10 TAGE IMMOBILES KÖRPERWASSER (CA. 4 %) 1 MONATE FESTE ORGANISCHE BINDUNG (CA. 4 %) 1 JAHR INTERNER DOSIS-KONVERSIONSFAKTOR: 65 REM / Curie ( zum Vergleich: PLUTONIUM 50 M REM / Curie ) Radioaktivität: 1 g Tritium ~ 10 4 Cl EIN VERLETZLICHES INVENTAR VON WENIGEN HUNDERT GRAMM TRITIUM WIRD ANGESTREBT. /Pinkau,K.:Stand und Perspektiven der Fusionsforschung, DPG-AKE-1996, p ; Fig.27 +p.196 /

18 Zwei Worte zur Sicherheit Selbst schwere Unfälle führen nicht zu einem Bruch des Confinements: keine Reaktivitätsexkursion, kein Schmelzen des Kerns bei Kühlmittelverlust, alle anderen Energieinventare sind hinreichend klein. Aber selbst, wenn alles Tritium das Kraftwerk verläßt, wäre eine Evakuierung nur in einem Bereich von 2-3 km 2 notwendig.

19 Zwei Worte zur Sicherheit Die Radiotoxizität des Abfalles fällt nach hundert Jahren um etwa 3-4 Größen- ordnungen ab. Im Prinzip läßt sich fast der gesamte Abfall wiederverwerten.

20 Stand der Technologie: Materialien Kandidaten für das Material sind schon identifiziert und werden laufend verbessert. Insbesondere zwei Anforderungen müssen erfüllt sein: *mechanische Stabilität bleibt auch nach langer Neutronen- bestrahlung erhalten *niedrige Aktivierung der Materialien zur Vermeidung großer und langlebiger Abfallmengen.

21 Literatur Hamacher, Thomas: Vortrag AKE_2002F (von ihm stammen die meisten Original Folien) Hamacher,T. und Bradshaw.A.M.: Fusion as a future power source: recent achievements and prospects, proceedings of the 18th World Energy Congress, 2001 Pinkau, K.: Stand und Perspektiven der Fusionsforschung, DPG-AKE-1996, p Sehr gute Einführung: IPP 1995 : Kernfusion- Berichte aus der Forschung ; (IPP= MPI für Plasmaphysik, Garching) IPP : Milch,I.: Die Sonne auf die Erde holen, PhiuZ 26 (1995),Heft 2;,p.69-74;


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