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Kernfusion. Energieproblematik Energieverbrauch Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit.

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Präsentation zum Thema: "Kernfusion. Energieproblematik Energieverbrauch Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit."—  Präsentation transkript:

1 Kernfusion

2 Energieproblematik

3 Energieverbrauch Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit

4 Energieverbrauch Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit

5 Klimawandel Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit

6 Klimawandel (IPCC)

7 Lösungsansätze Regenerative Energieträger fördern –Eingeschränktes Potential Atomenergie –Gefahr, Entsorgungsproblem Mittelfristig: Kohle und CO2-Sequestrierung Energieeffizienz und Verbrauchsreduktion Langfristig: Die Kernfusion –treibgasarm –unerschöpflich –vergleichsweise ungefährlich

8 Grundlagen der Fusion

9 Bindungsenergie Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP) 2,8 MeV 8,8 MeV 1,1 MeV 7,1 MeV

10 Coulombbarriere 1 fm ca. 500 keV (H-1)

11 Energieverteilung Wahrscheinlichkeit Energie

12 Fusionsreaktionen Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

13 Fusionsreaktionen Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

14 Fusionsreaktionen Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

15 Plasma Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

16 Zündbedingung Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

17 Fusionstechnik

18 Magnetischer Einschluss Vermeidung des Kontaktes zwischen Plasma und Wand Abkühlung Beschleunigung der Ionen und Elektronen Wärmeisolierter Einschluss Lenkung des Plasmas durch Magnetfelder Bevorzugt ringförmige Felder

19 Tokamak Überlagerung zweier Magnetfelder Toroidal (in Form eines Torus) Poloidal (schraubenförmig) Transformatorspule erzeugt Plasmastrom, arbeitet gepulst

20 Stellarator Dauerbetrieb möglich Ausschließlich äußere (sog. nicht-ebene) Spulen Kein Transformator Computeroptimierte Spulengeometrie Technisch einfache Kraftwerkvariante

21 Plasmaentladungen

22 Stöße und Verunreinigungen Fusion geschieht durch Stöße Stöße ändern die Bahn der Teilchen –Guter Einschluss benötigt; großer Reaktor –Fremdatome gelangen ins Plasma: Verunreinigung, Abstrahlung Lösungen –Magnetischer Einschluss –Verständnis der Plasma-Wand-Wechselwirkung –Materialforschung

23 Plasmaheizung Stromheizung Plasma ist leitfähig und besitzt einen Widerstand Transformator induziert Strom Plasma wie Sekundärwicklung Pulsweise einige Millionen Ampere

24 Plasmaheizung Hochfrequenzheizung Eigenschwingung der Elektronen und Ionen Resonante Anregung durch elektromagn. Wellen möglich Energie wird durch Stöße weitergegeben Zyklotronfrequenz geeignet

25 Plasmaheizung Neutralteilcheninjektion Ionen werden beschleunigt Zur Vermeidung von Ablenkung: Neutralisation Schnelle Teilchen (ca km/s) geben Energie durch Stöße ab

26 Plasmabegrenzung Entfernung von Helium und Verunreinigungen notwendig Limiter Magnetischer Limiter Divertor

27 Weitere Elemente Supraleitende Spulen Blanket: In späteren Experimenten zur Absorption der Energie der Neutronen Brennstoffnachfüllung, Pellet-Injektion Plasmadiagnostik –Temperatur –Dichte –Magnetfeld –Verunreinigungen

28 Materialforschung Forschungsprogramme zur Verbesserung der Materialien unter extremen Bedingungen Integriertes Projekt der Europäischen Union und europ. Forschungs- / Industriekonsortium am IPP: ExtreMat Besondere Eigenschaften wie Wärmeabfluss

29 Fusionsforschung

30 Die Anfänge 1930er: Erforschung durch Rutherford, Bethe und Weizsäcker 1950 Wasserstoffbombe (unkontrollierte Kernfusion), Ablehnung der Fusion 1958 Genfer Konferenz zur Kernenergie, großes Interesse Erforschung durch USA, UdSSR, Großbritannien und Frankreich, später auch andere Zunächst auch Erforschung der Trägheitsfusion durch USA und Frankreich, jedoch aufwendiger

31 Deutschland Max-Planck-Institut für Plasmaphysik –1960 Gründung in Garching –1961 Assoziation mit der EURATOM –Tokamaks „ASDEX (Upgrade)“ –Stellaratoren „Wendelstein (7-X)“ –1994 Teilinstitut Greifswald Forschungszentrum Jülich: TEXTOR Forschungszentrum Karlsruhe: TOSKA

32 JET „Joint European Torus“ (Betrieb seit 1984) Europäisches Gemeinschaftsprojekt in Culham, Großbritannien Größter Tokamak der Welt Nahe an den Zündungsbedingungen Europäische Technologieplanungsgruppe EFDA (European Fusion Development Agreement)

33 Außerhalb Europas USA –Tokamak-Experiment DIII-D –Trägheitsfusion Frankreich –Tore Supra, Cadarache: Tokamak mit supraleitenden Spulen Japan –Tokamak JT-60 überschreitet seit 1996 das Energieäquivalent –JFT-2M zur Unterstützung von ITER –SSTR: Erforschung längerer Tokamak-Betriebszeiten

34 ITER

35 Das Projekt ITER: Internationaler Thermonuklearer Experimental- Reaktor (lat. „der Weg“) Soll zeigen: Energieerzeugung durch brennendes Plasma möglich; Erreichen der Zündung durch größere Apparatur Erforschung hochenergetischer Plasmen Partner: EU, USA, Russland, China, Japan, Südkorea Bauzeit 10 Jahre, Plasmaerzeugung ab 2016 Begleitend (inter-)nationale Forschung wie JET, International Fusion Materials Irradiation Facility (IMFIF) 30 Jahre Planungs-, Bau- und Betriebszeit, danach DEMO

36 Geschichte 1970er: Nationale Fusionsprogramme, Bau großer Tokamak-Anlagen Notwendigkeit der Zusammenarbeit zwischen UdSSR und USA 1985/86 Supermächte-Gipfel in Genf: Initiative von Gorbatschow, Reagan und Mitterand: Gemeinsam nächster Schritt: UdSSR, USA, Europa, Japan Partner: Europa, Japan, Russland, USA, China Seit 1988 EU, Japan, Russland, USA 1997 Ausstieg der USA: Zweifel an der Zümdung, Kosten; Abweisung, Neuplanung in kleinerer Größenordnung Seit 2003 China, Südkorea, wieder USA

37 Rahmendaten Investitionskosten 4,6 Mrd EUR Betriebskosten jährlich 265 Mio EUR EU 50%, andere Partner je 10 % 500 Megawatt Fusionsleistung Energiegewinnungsfaktor von 10 (Plasmaheizung : Fusionsenergie) 600 Wissenschaftler, Ingenieure, Techniker 1 g Brennstoff soll KWh Energie (11 t Kohle) liefern 400 Sekunden Dauerbetrieb

38

39 Aktuelle Ereignisse Standortstreit: Juni Entscheidung für Cadarache (EU, Russland, China), gegen Rokkasho (Japan, USA, Südkorea) EU kommt Japan entgegen –Personal, Direktor –Aufträge ITER und weitere Projekte wie eine Materialtestanlage –DEMO Indien strebt Beteiligung an

40 DEMO

41 Das Fusionskraftwerk DEMO als Kraftwerk- Demonstrationsanlage Nachfolgeprojekt zu ITER Geschätzte 50 Jahre bis zur wirtschaftlich nutzbaren Energie Standort: wahrscheinlich Japan

42 Wirkungsweise Bei der Fusion freigewordene Energie und Teilchen insbesondere schnelle Neutronen heizen das „Brutblanket“ Wärmetransport durch Helium Angeschlossenes Wärmekraftwerk

43 Sicherheit und Umwelt Betrieb ist vor Katastrophen geschützt Radioaktiver Abfall –Wände des Plasmagefäßes –Zwischenlagerung notwendig –Radioaktivität nach 100 Jahren auf ein zehntausendstel reduziert Entwicklung von effizienten Rezyclierungsverfahren –Ziel: Nach 100 Jahren kein Abfall mehr zu isolieren, statt dessen freigegeben bzw. in neuen Kraftwerken

44 Sozioökonomische Faktoren Stromkosten noch nicht abschätzbar ITER gibt einen guten Maßstab für zukünftige Kraftwerkskosten Modellierungen des Energiemarktes –Eindringen in den europäischen Energiemarkt möglich –Bedingung: Senkung des CO2-Ausstoßes –Fusion ab 2050 –20-30% Marktanteil im Jahr 2100 –Hauptkonkurrenz: Kohle und Kernspaltung –Bedienung der Grundlast, im Unterschied zu –Regenerative unstetig, daher speicherabhängig

45 Fusion und Nachhaltigkeit Auf lange Sicht Bedienung der Grundlast Möglichkeit des Wasserstoffkreislaufs –Wasserstofffusion zur Erzeugung von Wasserstoff (o. ä.) als Energieträger –Mobile Anwendungen wie Fahrzeuge mit Verbrennungs- oder Brennstoffzellenantrieb Unabhängiger und CO2-neutraler Energiekreislauf

46 Verzeichnis der Quellen IPP ITER Cadarache JET Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit Bundesministerium für Umwelt Physik-Journal IPCC


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