3. 1 Fusion im Himmel und auf Erden 3 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 des Plasma 3.13 Wege zur Plasmazündung (Einschluss) 3.131 Magnetischer Einschluss im Torus .1311 Tokamak .1312 weiterführende Einschlusskonzepte: Stellarator ( 3.132 Trägheitseinschluss) ( 3.133 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

Bindungsenergie und Fusionsreaktionen 3.11 Bindungsenergie und Fusionsreaktionen

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

Die heute technisch interessante Fusionsreaktion d-t Reaktion: d + t --> 4He + n + 17.58 [MeV] wobei : 3.51 (He) + 14.07 ( n) = 17.58 [MeV] Brutreaktionen in Lithium 7Li + n --> 4He + t + n - 2.47 [MeV] 6Li + n --> 4He + t + 4.78 [MeV] Vorkommen: 92.6% als 7Li und 7.4% als 6Li /Hamacher,T.: „Stand und Perspektiven der Fusion“ ; DPG-AKE-1997, 57-76; p.59+60 / und / Pinkau,K. „Stand ... der..Fusionsforschung“;DPG-AKE 1996; p.200/

3.12 Aktueller Stand der Plamaphysik: kurz vor der Zündung

Das Lawson Kriterium: Tripelprodukt Zur Zündung müssen : ausreichend viele Teilchen [Plasmadichte n ] oft [Energieeinschlusszeit E ] und heftig genug [Temperatur T ] miteinander zusammenstoßen. Zündkriterium (Lawson): n * E * T >= 6* 1016 [cm-3 s MK ] Praktische Zündbedingungen: Plasmadichte ca. 1014 Teilchen pro cm3 Energieeinschlusszeit 1- 2 [s] Plasmatemperatur 100-200 [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

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

Stand der Plasmaphysik: Rekord-Schüsse bei JET

Wege zur Plasmazündung 3.13 Wege zur Plasmazündung

Physikalische Aufgaben: Zündkriterium (Lawson): n * E * T >= 6* 1016 [cm-3 s MK ] Physikalische Aufgaben: 1. n * E : Einschluß eines ausreichend dichten Plasmas über ausreichend lange Einschlusszeit 2. T : Aufheizen des Plasmas

Wege zur Plasmazündung 1. Magnetischer Einschluss Lange Einschlusszeit bei niedriger Dichte einige m3 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.291 +292; 301ff;

Magnetischer Einschluss im Torus: 3.1311 Magnetischer Einschluss im Torus: Tokamak

Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227;Abb.6;p.205 un p.185ff

ITER 12 m ITER-FEAT beruht auf dem Tokamak Prinzip, also die Verschraubung des Magnetfeldes wird durch einen Strom im Plasma erzeugt. Der Apparat ist wie eine Zwiebel aufgebaut. Die äußere Hülle heißt Kryostat, sie wird benötigt, weil die supraleitenden Magnete in einem Vakuum stehen müssen, sonst würden sie durch das umgebende Gas zu sehr erwärmt. Dann kommen die Magnete. Dann das Vakuumgefäß. Dann die Abschirmung, das Blanket, die erste Wand und zum Schluß das Plasma. Die Größe der Anlage ist beachtlich,

Stellaratoren sind von vorneherein für Dauerbetrieb geeignet. 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. Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227;Abb.9;p.208 und p.186; und Milch,I. PhiuZ 26 (1995),69-74; p.70

3.17 Sicherheit der Fusion * Tritium * Unfälle * Radiotoxische Abfälle

TRITIUM Halbwertszeit: 1/2 = 12,3 JAHRE ß-STRAHLER (18,6 KV) H3 (-) He3 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 ~ 104 Cl EIN VERLETZLICHES INVENTAR VON WENIGEN HUNDERT GRAMM TRITIUM WIRD ANGESTREBT . /Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“, DPG-AKE-1996, p.183-227 ; Fig.27 +p.196 /

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 km2 notwendig.

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.

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.

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.183-227 Sehr gute Einführung: IPP 1995 : Kernfusion- Berichte aus der Forschung ; (IPP= MPI für Plasmaphysik, Garching) IPP : http://www.ipp.mpg.de/ Milch,I.: “Die Sonne auf die Erde holen“, PhiuZ 26 (1995),Heft 2;,p.69-74;