Fusion DIE Energiequelle der Zukunft? Seminarvortrag 25. Januar 2006, Ruth Laengner

Gliederung Physikalische Fakten und Voraussetzungen Sicherheit Energiebilanz und Ausblick

Physikalische Fakten und Voraussetzungen

Energiegewinnung Energie entspricht der Bindungsenergie der Atomkerne (Massenverlust)

Voraussetzungen sicherer Einschluss des Plasmas hohe kinetische Energie der Ionen genügend hohe Plasmadichte zur Zündung der Fusion „lange“ Laufzeit

Einschluss (Magnetfelder) Plasma wird durch drei Magnetfelder eingeschlossen (Feldlinien verlaufen schraubenförmig in der Mitte des Torus) ein Stromfluss wird im Plasma erzeugt es wird aufgeheizt 3 Magnetfelder: Torodiales Hauptfeld, Plasmafeld und Feld um Verscherungen entgegen zu wirken Aufheitzen bis auf 15 Mio Kelvin, man braucht aber 100 MIo, da die Dichte zur Zündung nicht hoch genug ist

Einschluss (das Plasmagefäß) absolute Trennung von Plasma und umgebender Luft geringe Leitfähigkeit vakuumdichte Öffnungen zum Abpumpen der He-Asche oder Heizen hohe Hitzebeständigkeit

Neutralteilchenheizung/ kin.Energie schnelle H-Atome werden in das Plasma eingeschossen und geben durch Stöße mit diesem Energie ab müssen schnell sein zum Heizen und tief genug in das Plasma eindringen Beschleunigung auf 9000 km/s es gibt noch andere Techniken, aber die Neutralteilchen heizung ist im Moment die am Besten geeignetste um lange und effiziente Laufzeiten zu haben werden erst ionisiert um beschleunigt werden zu können und dann wieder mit Elektron versehen, damit sie sich nicht durch das Magnetfeld des Plasmakäfigs ablenken lassen Für ITER negative Ionen, sonst immer positive. ITER braucht schnellere Atome und bei 9000 km/s sonst schlecht zu reneutralisieren

Fusion Edukte Produkte D + T 4He (3,50 MeV) + n (14,1 MeV) + 17,6 MeV D + D 3He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) + 3,27 MeV D + D T (1,01 MeV) + H (3,02 MeV) + 4,03 MeV D + 3He 4He (3,60 MeV) + H (14,7 MeV) + 18,3 MeV Die Fusionsphysiker haben sich für die Reaktion D+T entschieden: größte Energeiausbeute bei geringster Temperatur Deuterium aus normalem Wasser, Tritium ist radioaktiv und kommt in der Natur wegen kurzer Halbwertszeiten nicht vor, wird aus Lithium gewonen

Effizienz sind ideale Werte erreicht, so bracht nicht weiter von außen geheizt zu werden, denn dann reicht die Plasmaheizung, die allein durch die Fusion zustande kommt aus um die Temperatur aufrecht zu erhalten: ab tp=(E/Plasmahezleistung)*Plasmadruck =5*10^12 keVs/m^3

Gewinnung des notwendigen Tritiums: das aus der Fusion entstandene Neutron wird zur Erbrütung des Tritiums aus Lithium verwendet mit He wird T ausgewaschen und dem Plasma wieder zugeführt Heliumasche wird aus dem Brennstoffkreislauf entfernt Lithium ist kontinuierlich verteilt in der Erdkruste

Radioaktivität Abfälle Störfälle 2.Sicherheit Radioaktivität Abfälle Störfälle

Radioaktivität Tritium ist radioaktiv, Brutmantel und Brennkammer werden auch durch den Beschuss von Neutronen aktiviert Richtwerte: 2g T pro Jahr entweichen im Kraftwerk (Höhenstrahlung: 7kg/a) an schwer aktivierbaren Legierungen wird gearbeitet (insgesamt niedriges Gefährdungspotential) Person, die immer in einem Kilometer Abstand ist, hat eine zusätzliche Belastung von 0,02 mSv, natürliche Belastung im Jahr 2 mSv

Abfälle nach ca. 30 Jahren Laufzeit entstehen 10.000 bis 40.000 m³ aktivierter Abfall ebenso viel wie bei Spaltreaktoren Halbwertszeit aber um Faktor 100 geringer Nachwärme geringer (SEAFP Studie von Euratom) Insgesamt ist das Gefährdungspotential nach 100 Jahren um 4500 mal geringer

Störfälle Brennstoffmenge in der Kammer reicht für eine Minute Feuern Leistungsdichte sehr gering (wie Glühbirne) unkontrollierter Leistungsanstieg nicht möglich, da kleinste Abweichungen zum Erlöschen der Fusion führen Nachwärme reicht nicht aus um die Baueile zum Schmelzen zu bringen

3. Energiebilanz und Ausblick

Kenndaten versch. Reaktoren P Fusion (MW) P Heizung intern P Ext. Heizung Energiever- stärkung Q JET 16 3.2 26 0.6 ITER 500 100 50 10 Kraftwerk 3000 600 50-100 30-60 interne Heizung durch die entstandenen schnellen alpha Teilchen

über Wärmetauscher und Turbinen wird dann el. Energie erzeugt bei Pulsdauer von mehr als 8 min. ist ITER (International Tokamak Experiment Reaktor) ein Zwischenschritt zur Realisierung eines Fusionskraftwerks über Wärmetauscher und Turbinen wird dann el. Energie erzeugt Problem ist vor allem die He-Asche und das kontinuierliche Heizen, außerdem Haltbarkeit der Einschlussmaterialien und wartung während des Betriebs

Kosten für Rohstoffe 75mg Deuterium und 225mg Li ersetzen etwa 1000 l Erdöl [in 2l Wasser und wenigen kg Gestein enthalten] D kostet 1€/kg, T ca. 20€/kg ->nur Beitrag von 0,003 cent/kWh an Stromkosten Energieaufwand für Bau in haben Jahr wieder zurückgewonnen Li 6! Das ist neu, heute ist der Brennstoff mit am teuersten

Quellen IPP Garchingen Euratom Jülicher Schule