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

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

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

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

Energiedichte Kohle: 33 MJ/kg Uran: 2,1*106 MJ/kg DT: 3,4*108 MJ/kg Bsp: Jahresverbrauch einer Familie (48 000 MJ) gedeckt durch 75mg D und 225mg Li aus 2 Litern Wasser und 250 g Gestein (entspricht 1000 Litern Öl)

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

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

Geschichte der Fusionsforschung 1919: Ernest Rutherford beschießt Stickstoff mit α-Teilchen und erhält Sauerstoff 1934: Rutherford lässt Deuterium und Tritium zu Helium fusionieren 1. 11. 1952: Zündung der Wasserstoffbombe Ivy Mike 1965: erster Tokamak T3 1973: JET wird gebaut (1991: 1,8MW, 1997: 16 MW) Zukunft: ITER, DEMO

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fusionskraftwerk

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

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

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)

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

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)

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