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Fusion im Himmel und auf Erden 3.1. 3.1 Fusion im Himmel und auf Erden 3.11 Bindungsenergie und Fusionsreaktionen. 3.12 Aktueller Stand der Plamaphysik:

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1 Fusion im Himmel und auf Erden 3.1

2 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

3 Bindungsenergie und Fusionsreaktionen 3.11

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

5 Quelle: /Taube 1988 : Materie, Energie..,; Hirzel Verlag; Abb. 6.15; p.236 Bindungsenergie pro Nukleon Schema der Fusion Thermonukleare Fusion der leichten Elemente Technisch interessant: D + T --> He + n + 17,6 MeV

6 einige Fusionsreaktionen: d-t Reaktion: d + t --> 4 He + n [MeV] d-d Reaktion: d + d --> t + p [MeV] d + d --> 3 He + n d + 3 He --> 4 He + n p - Reaktionen: 4 p --> 4 He [MeV] geht aber nicht in einem Schritt, daher technisch viel zu langsam p + 11 B --> 3* 4 He [MeV] Quelle: IPP 1995; Kernfusion- berichte aus der Forschung; p.9; IPP_Kernfusion1995.ppt ; /Taube 88; p.234 /

7 Wirkungsquerschnitte von Fusionsreaktionen [barn] Quelle: /Diekmann-Heinloth 97:Energie,Abb. 10.1,p.289, Teubner Verlag, Stuttgart; Urquelle: [9.11]= Fricke-Borst 1987,erw. Auflage, Abb. 15.6] Wirkungsquerschnitt und Reaktionsparameter von Fusionsreaktionen = Reaktionsparameter (gestrichelt) v = relative Geschwindigkeit der Reaktionspartner d+t -Reaktion ist leichter erreichbar d+t

8 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/

9 Aktueller Stand der Plamaphysik : kurz vor der Zündung 3.12

10 Prinzip der Fusion DTDT n (14,6 MeV) He (3,6 MeV) *bei hinreichend kleinen Abständen zwischen dem Deuterium und dem Tritium Kern kommt es zu Fusionsreaktionen *in einem heißen Plasma ( Mio °) werden bei Stößen diese Abstände regelmäßig erreicht *bei einer ausreichenden Isolierung kann das Plasma seine hohe Temperatur allein durch die Heizenergie der -Teilchen aufrecht erhalten

11 Die Zündbedingung des Plasma Zündbedingung: Im Plasma erzeugte Fusionswärme (Stöße der erzeugten alpha-Teilchen) >= Wärmeverlust durch Transport, quantifiziert durch Energieeinschlusszeit + Strahlungsverluste [ Bremsstrahlung der Elektronen an den schweren Ionen (Hauptanteil der Strahlungsverluste); Rekombinationsstrahlung ( nach dem Einfang eines Elektrons durch ein Ion) Linienstrahlung nur teilweise ionisierter Atome Zyklotronstrahling der gyrierenden Elektonen ] Energieeinschlusszeit = die Zeit, in der das Plasma seinen Energieinhalt durch Transportvorgänge an die Umgebung abgegeben hat. Quelle: Hamacher, T.:Stand und Perspektiven der Fusion; DPG_AKE 1997; p-59-74;p

12 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 ]

13 **Exkurs zum Detail**** Quelle: Pinkau,K.:Stand und Perspektiven der Fusionsforschung; DPG_AKE 1996; p ;Abb.2;p.201

14 Stand der Plasmaphysik Quelle: Hamacher: Vortrag AKE_2002F, Hamacher.ppt

15 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)

16 Stand der Plasmaphysik *hinreichend gute Wärmeisolierung des Plasma * -Teilchen Heizung *weiterführende Einschlußkonzepte *Stabilität des Plasma *kontrollierte Wärmeabfuhr aus dem Plasma: Stichwort: Plasma-Wand Wechselwirkung *Asche-Abfuhr

17 Stand der Plasmaphysik: Rekord-Schüsse bei JET

18 Wege zur Plasmazündung 3.13

19 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 ]

20 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;

21 Magnetischer Einschluss im Torus Quelle: Pinkau,K.:Stand und Perspektiven der Fusionsforschung; DPG_AKE 1996; p ; p.185ff

22 Quelle: Pinkau,K.:Stand und Perspektiven der Fusionsforschung; DPG_AKE 1996; p ;Abb.4;p.203 un p.185ff Im Torus ist die Magnetfeldstärke innen größer als außen; dieTeilchendriftbewegung würde zu einer Ladungstrennung (E -Feld) und deshalb zu einer nach außen gerichteten E x B -Kraft auf das Plasma führen. Die Notwendigkeit eines nicht axialsymmetrischen Zusatzfeldes Um dieses Abdriften zu vermeiden, müssen die Magnetfeldlinien verdrillt werden......

23 Quelle: Pinkau,K.:Stand und Perspektiven der Fusionsforschung; DPG_AKE 1996; p ;Abb.5;p.204 und p.185ff Um das Abdriften des Plasmas zu vermeiden, müssen die Magnetfeldlinien beim Umlauf um den großen Radius verdrillt werden. Verdrillung der Magnetfeldlinien

24 Magnetischer Einschluss im Torus: Tokamak

25 Wählt man eine axialsymmetrische Toruskonfiguration, so kann die Verdrillung zwingend nur durch einen toroidalen Strom hervorgerufen werden. Dieser Strom wird im allgemeinen durch einen Transformator erzeugt. Diese Konfiguration heißt Tokamak. Der Tokamak ist wegen des begrenzten Flußhubs des Transformators gepulst, was nicht eben günstig für einen Dauerbetrieb ist. Ziel : Toroidaler Magnetischer Einschluß mit Verdrillung der Magnetlinien Quelle: Pinkau,K.:Stand und Perspektiven der Fusionsforschung; DPG_AKE 1996; p ;Abb.6; p.185

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

27 Der Tokamak (magnetischer Einschluß des Plasma)

28 Quelle: J.E. Vetter:Kernfusion-Auf dem weg zum Reaktor; DPG_AKE 1990; Abb.5; p Plasma 1 Transformatorwicklung zur Erzeugung eines Plasmastroms 2 Abschirmblanket 4 Vakuumgefäß 8 Hauptfeldspulen 9 Erste Wand 10 Divertorplatten 11 Poloidalfeldspulen zur vertikalen Lageregelung des Plasmas 7 Stabilisierungswicklung 6 Kryostat 5 Evakuierungsleitung Next European Torus - Entwurf 1990

29 ITER 12 m

30 Magnetischer Einschluss im Torus: weiterführende Einschlusskonzepte Stellarator

31 Stand der Plasmaphysik Ein Kraftwerk muß eine stationäre Maschine sein. Eine Möglichkeit dahin ist die Verbesserung des Tokamaks, eine andere Alternative der Stellarator: Advanced Tokamak Stellarator *nicht Induktiver-Strom- trieb durch verschiedene Methoden denkbar *Optimierung des Bootstrap Stromes Problem: bisher hoher Energie- aufwand

32 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.

33 Computerzeichnung von Magnetspulen und Plasma des Stellaratorexperimentes Wendelstein 7-X (wird in Greifswald gebaut, soll 2007 in betrieb gehen). Quelle:Milch,I.:Die Sonne auf die Erde holen, PhiuZ 26 (1995),Heft 2;,p.69-74; Abb.2;p71; IPP 1995; Kernfusion- Berichte aus der Forschung; p16; IPP_Kernfusion1995.ppt

34 Plasma-Aufheizung Stromheizung Hochfrequenzheizung Neutralteilchenheizung Quelle: IPP 1995; Kernfusion- Berichte aus der Forschung; p.14+15; IPP_Kernfusion1995.ppt ; 3.14

35 Ein rela tiv kleiner Strom, der in vielen Windungen um den Eisenkern eines Transformators geführt wird, kann in der "Sekundärwicklung", dem Plasmaring, einen großen Strom treiben. Stromheizung: Quelle: IPP 1995; Kernfusion- Berichte aus der Forschung; p.14; IPP_Kernfusion1995.ppt ;

36 Wenn eine elektromagnetische Welle die gleiche Drehfrequenz hat wie ein Ion bzw. Elektron im Magnetfeld, kann das Teilchen aus dem elektrischen Feld der Welle Energie aufnehmen. Hochfrequenzheizung: Quelle: IPP 1995; Kernfusion- Berichte aus der Forschung; p.14; IPP_Kernfusion1995.ppt ;

37 In dem Injektor werden in einer Ionenquelle Ionen erzeugt, dann beschleunigt und schließlich neutralisiert, damit sie durch den Magnetfeldkäfig nicht abgelenkt werden. Die schnellen (aber nun neutralisierten) Teilchen dringen in das Plasma ein, wo sie ihre Energie durch Stöße an die Plasmapartikel weitergeben. Übrig gebliebene Ionen werden durch ein magnetisches Ablenksystem in einen Ionensumpf gelenkt. Neutralteilchenheizung: Quelle: IPP 1995; Kernfusion- Berichte aus der Forschung; p.15; IPP_Kernfusion1995.ppt ;

38 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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