Kernfusion Energiegewinnung

Präsentation zum Thema: "Kernfusion Energiegewinnung"—  Präsentation transkript:

1 Kernfusion Energiegewinnung
Sommerakademie Salem 2008 Zukunft der Energie Ann-Kathrin Perrevoort

2 Inhalt Einführung Einschlussverfahren Fusionskraftwerk ITER
- DT-Reaktion - Energiedichte - Heizen - Lawson-Kriterium - Geschichte der Kernfusion Einschlussverfahren Magnetischer Einschluss (Tokamak, Stellarator) Trägheitseinschluss Fusionskraftwerk ITER Pro und Kontra

3 Deuterium-Tritium-Reaktion
²H + ³H  4He + 1n + 17,6 MeV

4 Tritium-Herstellung Deuterium nahezu unbegrenzt verfügbar (0,015% des Wasserstoffs), Tritium muss erbrütet werden: 1n + 6Li  4He + ³H Tritium ist Betastrahler, Halbwertszeit 12,3 a, Lithium nicht radioaktiv

5 Energiedichte Kohle: 33 MJ/kg Uran: 2,1*106 MJ/kg DT: 3,4*108 MJ/kg
Bsp: Jahresverbrauch einer Familie ( MJ) gedeckt durch 75mg D und 225mg Li aus 2 Litern Wasser und 250 g Gestein (entspricht 1000 Litern Öl)

6 Heizen des Plasmas Nötige Temperatur: 100 bis 120 Mio K
Ohmsche Heizung durch Strom im Plasma Neutrateilchen-Einschuss Hochfrequenzheizung mithilfe hochfrequenter Radiowellen

7 Lawsonkriterium Fusionsprodukt: n*T*τ
Lawson: n*T*τ > 6*1028 sK/m³ => Zündung Energieverstärkung: Q=Fusionsenergie/aufgewendete Energie

8 Geschichte der Fusionsforschung
1919: Ernest Rutherford beschießt Stickstoff mit α-Teilchen und erhält Sauerstoff 1934: Rutherford lässt Deuterium und Tritium zu Helium fusionieren : Zündung der Wasserstoffbombe Ivy Mike 1965: erster Tokamak T3 1973: JET wird gebaut (1991: 1,8MW, 1997: 16 MW) Zukunft: ITER, DEMO

9 Magnetischer Einschluss
Hohe Temperaturen: - Plasma zerstört Behälterwände - Verunreinigungen unterbrechen Fusion Plasma besteht aus geladenen Teilchen => Magnetfeld bringt Plasma auf Kreis-/Schraubenbahn Nachteil: Erzeugung starker Magnetfelder (B~v) sehr aufwendig und kostspielig Lösung: supraleitende Magnete Lawson: n=1020*m-3, τ=3s

10 Tokamak russ.: Toroidale Kammer mit Magnetfeld
Plasmaeinschluss durch schraubenförmiges Magnetfeld

11 Vorteile/Nachteile Am weitesten fortgeschrittener Bautyp
Induzierter Strom heizt das Plasma Kein Dauerbetrieb möglich (wegen dem Transformator)

12 ASDEX Upgrade größte deutsche Fusionsanlage, IPP in Garching
Plasmaphysik unter kraftwerksähnlichen Bedingungen, ITER-Vorbereitung

13 JET – Joint European Torus
weltweit größte Anlage, in Culham (GB) Plasmaphysik in der Nähe der Zündung 1997: 16 MW Leistung, Q=0,65

14 Stellarator lat.: stella – der Stern
Magnetfeld wird durch die spezielle Spulengeometrie erzeugt Plasmaeinschluss ohne Transformator

15 Vorteile/Nachteile Dauerbetrieb möglich
Magnetfeld nur von außen vorgegeben: kann optimiert werden Keine Heizung durch Strom im Plasma

16 Wendelstein 7-X Wird in Greifswald (IPP) gebaut
Kraftwerkstauglichkeit des Stellaratorprinzips

17 Trägheitseinschluss DT-Kügelchen wird bestrahlt, Plasmahülle bildet sich Rückstoß verdichtet das Innere des Kügelchens

18 Trägheitseinschluss Hohe Dichte und Temperatur im Kern, Zündung des Plasmas Plasmabrennen erfasst das gesamte Kügelchen Lawson: n=1030*m-3, τ=3*10-10s

19 Fusionskraftwerk Blanket:
- Neutronen geben Energie ab (14,1 MeV) => Stromerzeugung - Tritium erbrüten Brennstoff-Nachfüllen durch Pellets Divertor: Entfernen von Helium und Verunreinigungen

20 Fusionskraftwerk

21 ITER Internationaler thermonuklearer experimenteller Reaktor
lat.: iter – der Weg

22 ITER Internationales Gemeinschaftsprojekt:
EU, Schweiz, USA, Japan, Russland, VR China, Indien, Südkorea In Cadarache (Südfrankreich), Fertigstellung 2018 Kosten: ca. 4,6 Milliarden €

23 ITER Testreaktor nach dem Tokamak-Prinzip
500 MW Leistung, Energieverstärkung Q=10 Radius 6,2m, Magnetfeld 5,3T, Pulslänge 500s Untersuchungen des brennenden Plasmas Blankettechnologie Schlüsseltechnologien (Magnete, Materialien,...) Danach: Demonstrationskraftwerk DEMO (Q=20-30) Schlüsseltechnologien: supraleitende Magnete, niedrig aktivierbare Materialien für Innenwände (Chrom-Stähle, Keramiken, faserverstärkte Materialien)

24 Pro Kernfusion Hohe Energiedichte (Jahresverbrauch bei 1000MW: 100kg D + 300kg Li) Rohstoffe fast unbegrenzt verfügbar Geringe Rohstoffkosten, kaum Transport => Stromgestehungskosten ca. 6 Cent/kWh Keine unkontrollierte Kettenreaktion möglich Kein CO2-Ausstoß, keine Abgase allgemein Keine radioaktiven Ausgangsstoffe Wenig radioaktive Abfälle mit kurzen Halbwertszeiten (Lagerung von ca. 100 a) Li-Vorräte: 100 Mio. Tonnen: decken Weltenergiebedarf für mehr als ein Jahrtausend

25 Kontra Kernfusion Nicht frei von Radioaktivität
Nur in Industriestaaten realisierbar (wegen Infrastruktur) Komplizierte Technik, hohe Investitionen Bislang noch keine Energiegewinnung realisiert (erstes Fusionskraftwerk voraussichtlich 2060)

26 Quellen Kernfusion – Berichte aus der Forschung (IPP)
Kernfusion – Ongena, Van Oost, Eidens, Mertens, Schorn Kernfusion – Schorn Saubere Energiequelle mit Zukunft (EFDA) Fusion (CPEP) leifi.physik.uni-muenchen.de Wikipedia