Auf dem langen Marsch zum Kraftwerk

3.15

Heating

Fuel Injection

Plasma

Divertor

Pump

Isotope Separation Plant

Blanket

Steam Generator

Turbine

Generator

Magnets Cryo-System

Ein schematischer Blick ins Fusionskraftwerk

ITER

12 m

Stand und Aussichten der Kernfusion: Zeitplan

JET ITER Advanced

ITER-Prototypen TOKAMAK ITER-FDR

Materialentwicklung IFMIF DEMO

Asdex-UpgradeWendelstein 7 AS Wendelstein 7 X ...

heute heute + 15 heute + 30

Sicherheitsforschung

Sozi-Ökonomiche Forschung

Einige technologische Brennpunkte

3.16

Stand der Technologie

* Magnete

* Divertor

* Blanket

* Materialien

* Pumpen, ...

Stand der Technologie.Magnete

Die „herkömmlichen“ NbTi-Supraleiter reichen nicht aus ein hinreichend starkes Magnetfeld zu erzeugen. Neue Ansätze mußten beschritten werden mit Nb3Zn.

Prototypen für die ITER Magneten wurden entwickelt, gebaut und erfolgreich in Japan und Deutschland getestet.

Stand der Technologie

* Magnete

* Divertor

* Blanket

* Materialien

* Pumpen, ...

Stand der Plasmaphysik

In einem Fusionskraftwerk werden etwa 3000 MW thermisch Leistung produziert,600 MW fallen als Heizleistungim Plasma an.

Diese Leistung muß kontrolliertabgeführt werden. Mit der Divertor Konfiguration ist dies möglich geworden.

Trotzdem müssen Wärme-flüsse bis 10 MW/m2 beherrschtwerden.

Stichworte: H-Mode, Detached-Plasma

Stand der Technologie: Divertor

0

5

10

15

20

25

Heat

Flu

x, M

W/m2

100 1000 10000Number of cycles

Monoblock - JASaddle - JA

Flat - EUMonoblock - EU

ITER DivertorTransient Goal ITER Divertor

Steady State Goal

F = Failed

F

F

Als Materialien kommen CFC,Wolfram und Beryllium in Frage.

Am erfolgreichsten sind zur Zeit CFC mit Kupfer und Wasser alsKühlmittel.

Ganz neue Verbindungstechniken mußten entwickelt werden, um Kohlenstoff und Kupfer zu verbinden.

Stand der Technologie

* Magnete

* Divertor

* Blanket

* Materialien

* Pumpen, ...

Stand der Technik: Das Blanket

Das Blanket erfüllt drei Aufgaben: * Wandlung der Neutronenenergie in wertvolle Wärme * Brüten von Tritium * Abschirmung

Von dem Temperaturniveau und dem Kühlmedium des Blanket hängt der Gesamtwirkungsgrad der zukünftigenKraftwerke ab.

Die Brutrate muß größer als eins sein.

Die Materialwahl ist kritisch.

Konzepte sind entwickelt. Prototypen werden in ITER getestet.

Stand der Technologie

* Magnete

* Divertor

* Blanket

* Materialien

* Pumpen, Remote Handling usw ...

Stand der Technologie: Materialien

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 10610-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

Remote Recycling Level

Hands-on Level

Low Level Waste

Medium Level Waste

High Level Waste

MANET-II OPTIFER EUROFER-97 F82H-mod EUROFER ref. FE

Sur

face

Gam

ma

Dos

e R

ate

[Sv/

h]

Time after Irradiation [y]

Kandidaten für das Material sind schon identifiziert und werden laufend verbessert.

Insbesondere zwei Anforderungenmüssen erfüllt sein:

* mechanische Stabilitätbleibt auch nach langer Neutronen-bestrahlung erhalten* niedrige Aktivierung der Materialien zur Vermeidung großer und langlebiger Abfallmengen.

Sicherheit der Fusion

* Tritium

* Unfälle

* Radiotoxische Abfälle

3.17

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

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

PDW CRM (RHR) SRM (RHR) SRM (HOR) NAW

Pro

tio

n o

f W

as

te in

pe

rce

nt Plant Model 1

Plant Model 2

Plant Model 3

Die Radiotoxizitätdes Abfalles fällt nach hundert Jahren um etwa 3-4 Größen-ordnungen ab.

Im Prinzip läßt sich fast der gesamte Abfall wiederverwerten.

Der Zwischenspurt zum ITER

3.18

Wie muß der nächste Schritt aussehen?

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P

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PPP

SSSSS

B ASDEX

J DIII-D

H JET

A JFT2M

Ñ PBXM

É PDX

P DIII-D rho* andkappa studies

S JET rho* study

ELMy data(withTAUC93)

ITER

10

1.0

0.1

0.010.01 0.1 1.0 10.0

(Skalierung,85 * ITERH93P) [sec]

E [

sec]

ITER

12 m

Geschichte von ITER

1985 Erster Vorschlag der UDSSR zum Bau eines neuen großen TOKAMAKS

1986 Erste Vorschläge der USA zur Implementierung eines „globalen“ Forschungsprozesses

1988-1990 ITER Conceptual Design Activity (CDA) 1992 ITER Engineering Design Activity wird gestartet 1994 ein outline design report liegt vor 1998 der Final Design Report (FDR) wird akzeptiert

eine Kostenreduktion um 50 % wird gefordert, die USA verlassen den ITER Prozeß vorläufig

2000 erweiterte EDA legt outline design für kleinere Maschine vor

2001 Abschluß der erweiterten EDA 2001- Beginn der Verhandlungen zur Schaffung einer ITER

Legal Entity und zur Festsetzung eines Standortes Coordinated Technical Activity (CTA)

ITER: Standorte

* Kanada hat einen offiziellen ITER-Standort angeboten

* Frankreich führt umfangreiche Untersuchungen über den Standort Cadarache in der Provence durch

* Spanien mach Untersuchungen für einen Standort in Tarragona

* Japan hat zwei Standorte identifiziert

ITER: Politik

* im 6. EU Forschungsrahmenprogramm sind schon 200 Mio. Euro für den Bau von ITER vorgesehen

* die USA denkt laut darüber nach, wieder an ITER teilzunehmen

Europäische Forschungspolitik

Zusammenfassung

* erhebliche Fortschritte wurde gemacht mit den JET D-T Experimenten als Höhepunkten

* die notwendigen Schritte auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk sind identifiziert

* die physikalische Datenbasis ist ausreichend, um den nächsten Schritt zu planen und mit Zuversicht umzusetzen

* viele Schlüsseltechnologien sind bereits entwickelt, ein Test im Verbund steht aus

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;

Thomas Hamacher

Stand und Aussichten der Kernfusion

Magnetische Fusion

Sicherheit

Physik Forschungs-politik

Entwicklung derTechnologie

Einbindung in dieEnergiewirtschaft (Kosten)

Umwelt-eigenschaften

ITER, der nächste Schritt

Ressourcen

Stand der Plasmaphysik

(60 %)

(50 %) (75 %)

(92 %)

(0 %)

13

12

11

10

0 1 2P (MW)

Te(

0) (

keV

)