Konzepte von Fusionsreaktortypen, technischer Stand, Entsorgung Christoff Klinkicht | 7.7.2011 | HS Physik

Inhalt Tokamak (ITER) Zielsetzung Aufbau Fusionskraftwerk Stellarator (Wendelstein 7-X) Ziele Charakteristika Verlauf der Fusionsexperimente Abfall / Entsorgung Quellen / Diskussion

Zielsetzung ITER = International thermonuclear experimental reactor (Apronym: lat. „Weg“) nach Tokamak - Prinzip (russ.: Toroidale Kammer im Magnetfeld) Technische Machbarkeit + Gebrauchstauglichkeit der Energiegewinnung aus Kernfusion demonstrieren. Zehnfache Energieausbeute Einsatz von supraleitenden Magnetspulen Eigenständige Tritiumerbrütung Komplette Fernsteuerung Zukunftsweisend für Demonstrationsreaktor DEMO Der Deuterium-Tritium-Fusionsreaktor wird im Forschungszentrum Cadarache im Süden Frankreichs zu wissenschaftlichen Zwecken erbaut. Der Reaktor soll die technische Machbarkeit sowie Gebrauchstauglichkeit der Energiegewinnung aus Kernfusion demonstrieren. Den Berechnungen zufolge soll etwa zehnmal so viel Energie aus dem Plasma freigesetzt werden, wie zu dessen Aufheizung und Stabilisierung notwendig ist. Wesentliche Beiträge zur positiven Energiebilanz im Vergleich zu den bisherigen Tokamak-Versuchsanlagen liefern dabei folgende Merkmale: Baugröße des Plasmagefäßes, mit der sich höhere Plasmatemperaturen im Inneren erreichen lassen, analog zur in der Zoologie bekannten Bergmannschen Regel. Einsatz von supraleitenden Magnetspulen, die nach dem Aufbau des Magnetfeldes nur mehr Energie für die Kühlung, nicht jedoch für das Magnetfeld selbst verbrauchen. Anwendung der Deuterium-Tritium-Reaktion unter Verwendung des radioaktiven Tritiums in einem geeigneten Mischungsverhältnis mit Deuterium. Die während der Betriebsphasen aus dem Plasma freigesetzte Leistung soll im Bereich mehrerer hundert Megawatt liegen, vergleichbar mit herkömmlichen Kraftwerken. Jedoch ist die Versuchsanlage ITER wegen der geplanten, relativ langen Abschaltungen, etwa wegen Umbaupausen, noch nicht zur Lieferung von Nutzenergie geeignet. Ein entsprechendes vollständiges Blanket mit Kühlkreislauf, Dampferzeuger usw. ist daher nicht vorgesehen. Mit dem Projekt sollen ferner die Hürden aufgezeigt und bewertet werden, die für eine großtechnische und wirtschaftliche Anwendung der Kernfusion noch überwunden werden müssen. In der Testphase soll vor allem die Praxistauglichkeit der Technologien erprobt werden, die dann in dem geplanten nachfolgenden, kommerziell tauglichen Demonstrationsreaktor DEMO (Demonstration Power Plant) zur Anwendung kommen sollen. Zwischen der internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) und dem ITER-Projekt wurde 2008 eine Zusammenarbeit auf Expertenebene vereinbart.[1] Ex-Staatspräsident Jacques Chirac bezeichnete dieses Vorhaben als das größte Wissenschaftsprojekt seit der Internationalen Raumstation.

ITER Daten: Gesamtradius: 10,7 m Großer Plasmaradius: 6,2 m Plasmavolumen: 837 m3 Masse des Plasmas: 0,5 g Magnetfeld: 5,3 T Maximaler Plasmastrom: 15 MA Heizleistung und Strombetrieb: 73 MW Fusionsleistung: ≈ 500 MW Mittlere Temp.: 100 Mil. °C Brenndauer jedes Pulses: > 400 s Kosten: ≈ 16 Mrd. €

Vakuumbehälter

Vakuumbehälter „Doughnutförmiger“ doppelwandiger Behälter aus Edelstahl Luftdicht verschlossener Plasmabehälter, in dem Plasmastrom zirkuliert ohne Wände zu berühren Wasserkühlung notwendig 44 Anschlüsse zum Vakkumbehälter für Fernsteuerung, diagnostische Systeme und externe Heizung Erzeugung des Vakuums dauert 24-48h Der Vakuumbehälter ist ein doppelwandiger Behälter aus Edelstahl, der die Fusionsreaktion beheimatet. ITER‘s Vakuumbehälter wird doppelt so groß sein wie alle früher hergestellten Vakuumbehälter. Erbaut in neun Abschnitten und miteinander verschweißt, wird er zu einem luftdicht verschlossenen Plasmabehälter.

Blanket

Blanket 440 Blanket-Module an Innenwand des Vakuumgefäßes 1 x 1,5 Meter, 4,6 Tonnen Abschirmung gegen hochenergetische Neutronen, die bei Kernfusion entstehen Abbremsen der Neutronen für: Kühlmittelerwärmung Tritiumerbrütung Erste Wand: Beryllium zweite Wand: Kupfer + Edelstahl Sehr Anspruchsvolles Bauteil, besonders Tritiumerbrütung Die Innenfläche des ITER Vakuumgefäßes wird mit 440 Blanket-Modulen von je 1 x 1,5 Meter und einem Gewicht von bis zu 4 Tonnen abgedeckt werden. Die Blanket-Module schirmen den Vakuumbehälter vor hochenergetischen Neutronen ab, die während der Fusionsreaktion produziert werden.

Magnete

Magnete 10.000t von supraleitenden Magneten für Plasmaformung/-Eindämmung 18 toroidal, 6 poloidal, 1 zentral + Zusatzspulen Gekühlt bei 4K: starkes Magnetfeld (13T) zehntausend Tonnen von Magneten werden zusammenarbeiten, um die Form des Plasmas im Inneren des ITER Vakuumbehälters zu formen. Die 48 Elemente erzeugen ein Magnetfeld, ungefähr 200.000 mal größer als das unserer Erde.

Toroidale Magnetspulen Plasmaeinschluss 11,8 T

Poloidale Magnetspulen Plasmaeinschluss + Plasmaformung + Plasmastabilität Feld induziert durch Magnete und Strom

Zentral-Magnet Großer Transformator, der Haupt-Plasma-Strom induziert Führt Feldlinien in Divertorregion Muss hohe Belastungsfähigkeit aufweisen

Stromheizung Die Stromheizung: Wird ein elektrischer Strom durch das elektrisch leitfähige Plasma geschickt, erzeugt er – wie in einer Kochplatte – über den Widerstand Wärme im Plasma. Da der Widerstand des Plasmas mit zunehmender Temperatur abnimmt, ist diese Methode nur zur Anfangsheizung geeignet.

Externe Heizung

Externe Heizung Um Kernfusion einzuleiten muss Wasserstoff-Plasma auf 150 Millionen °C erhitzt werden Ohmsche Heizung Neutralteilchen-Einschuss Hochfrequente elektromagnetische Wellen für Ionen und Elektronenheizung (40-55MHz bzw. 170 GHz).