Kernfusion

Energieproblematik

Energieverbrauch Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit

Energieverbrauch Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit

Klimawandel Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit

Klimawandel (IPCC)

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

Grundlagen der Fusion

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

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

Energieverteilung Wahrscheinlichkeit Energie

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

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

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

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

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

Fusionstechnik

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

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

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

Plasmaentladungen

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

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

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

Plasmaheizung Neutralteilcheninjektion Ionen werden beschleunigt Zur Vermeidung von Ablenkung: Neutralisation Schnelle Teilchen (ca. 1000 km/s) geben Energie durch Stöße ab

Plasmabegrenzung Entfernung von Helium und Verunreinigungen notwendig Limiter Magnetischer Limiter Divertor

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

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

Fusionsforschung

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

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

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)

Außerhalb Europas USA Frankreich Japan 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

ITER

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

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

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 90000 KWh Energie (11 t Kohle) liefern 400 Sekunden Dauerbetrieb

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

DEMO

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

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

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

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

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

Verzeichnis der Quellen IPP www.ipp.mpg.de ITER www.iter.org Cadarache www.itercad.org JET www.jet.efda.org Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit Bundesministerium für Umwelt Physik-Journal IPCC