Fusionsforschung auf dem Weg zu einem energieliefernden Plasma · Ringvorlesung Lise Meitner 4 Themen … R Wolf, 26 November 2018 … Sonne und Fusion … Fusion auf der Erde …

Fakultät II

Zentrum für Astronomie und Astrophysik

Fusionsforschung auf dem Weg zu

einem

energieliefernden Plasma

Robert Wolf

[email protected]

Zum Gedenken an Lise Meitner, Ehrendoktorin der FU

Ringvorlesung Wintersemester 2018/2019

Ringvorlesung Lise Meitner 2

…

R Wolf, 26 November 2018

earthobservatory.nasa.gov


…


earthobservatory.nasa.gov


Themen …


… Sonne und Fusion

… Fusion auf der Erde

… Fusionsforschung

… Wendelstein 7-X in

Greifswald


Themen …






Greifswald

Ringvorlesung Lise Meitner 6R Wolf, 26 November 2018

Die Sonne

SOHO, ESA & NASA


…


Erde

SOHO, ESA & NASA


…


Schwerkraft

Gasdruck

Kräftegleichgewicht und

Massenerhaltung

Im Zentrum der Sonne

p > 0,5 Mrd. bar

Energieerhaltung

Im Zentrum

der Sonne

T > 2 Mio. Grad

SOHO, ESA & NASA


Hohe Temperaturen: 10 Mio C

Extrem hoher Druck: 10 Mrd. bar

5000 C

0,1 bar

SOHO, ESA & NASA


Was erzeugt diesen Druck, diese Temperaturen?

SOHO, ESA & NASA


1905 – Einstein: Äquivalenz von Masse und Energie, E = mc2

1919 – E. Rutherford: Beobachtung der ersten Kernverschmelzungsreaktion

im Labor

1925 – A. Eddington: Einfaches Modell der Sonne (Berechnung Druck und

Temperatur in der Sonnen ohne Kenntnis über Prozess der

Energieerzeugung)

1928 – G. Gamow: Erklärung der Kernverschmelzung (und Zerfall

radioaktiver Elemente) mit dem quantenmechanischen Phänomen

des Tunneleffekts

1929 – R. Atkinson, F. Houtermans: Anwendung der Theorie des

Tunneleffekts auf die Vorgänge im Inneren der Sonne

1938 – H. Bethe, C. F. von Weizäcker: Entdeckung (unabhängig

voneinander) des als Kohlenstoffzyklus bezeichneten Prozesses, mit

dem es den Sternen gelingt unter katalytischer Mitwirkung von

Kohlenstoff vier Protonen zu einem Heliumkern zu verschmelzen und

dabei Energie freizusetzen

1938 – O. Hahn, L. Meitner, O. Frisch, F. Straßmann: Entdeckung der

Kernspaltung

1939 – H. Bethe: Entdeckung der Proton-Proton-Kette, die ohne Kohlenstoff

bei etwas niedrigeren Temperaturen dasselbe bewirkt und der

R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 12

Vom ganz Großen zum ganz Kleinen: Das Atom

Elektrische Kraft

~ 10-10 m


Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen

Starke Kraftkompensiert die elektrische Abstoßung der Protonen

~ 10-14 m Protonen

sind positiv

geladen

Neutronen


Kernspaltung und Kernfusion

25 50 100 150 200 250

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20

1H

2H

3H

8Be4He

12C20Ne16O

56Fe

235U

Massenzahl

E

/A [M

eV

/am

u]

Spaltung

Fusion


Kernfusion in der Sonne

Umwandlung von 4 Protonen (Wasserstoff) in Helium

ABER: Wasserstofffusion ist sehr (!!!) ineffizient

DESHALB sind hohe Drücke und Temperaturen notwendig

Hohe Temperaturen: 10 Mio C

Extrem hoher Druck: 10 Mrd. bar

SOHO, ESA & NASA


Günstigste Fusionsreaktion: Deuterium und Tritium

17.5 MeV pro

Fusionsreaktion

Wasserdampf

|

Dampfturbine

|

Elektrogenerator

…


Günstigste Fusionsreaktion: Deuterium und Tritium

Lithium 6

Helium

Tritium

Tritium muss erbrütet werden


Die Rohstoffe sind Deuterium und Lithium

1/2 Badewanne Wasser6Li aus zehn Akkus

30 Jahre Strom für eine

durchschnittliche EU-

Familie


Vorteile Kernfusion

• Brennstoff für mindestens 1 Millionen Jahre

einzige neue Primärenergiequelle

Grundlastversorgung 1 GWe für Industrie und große

Städte

Prozesswärme in einem zukünftigen Energiesystem, z.B.

Erzeugung von Flüssigtreibstoffen

• Rohstoffe weltweit gleichmäßig verteilt

• Keine CO2-Erzeugung

• Keine Kettenreaktion (wie bei Kernspaltung; in den

Brennstäben ist die Energie einiger Jahre gespeichert)

• Begrenzte Radioaktivität (Neutronen aus der

Fusionsreaktion aktivieren Strukturmaterialien)


Themen …






Greifswald


0 °C

Temperatur

100 °C 10.000 °C

Heiß heißer Plasma


Plasmaphysik – ein weites Feld

2nkT = 2 bar 1010 bar

T = 10 keV, ne = 1020 m−3


Bedingungen für ein Energie erzeugendes D-T-Plasma

Deuterium-Tritium

Plasma

1014 cm-3

100 Millionen C

3 bar

Sonne

1026 cm-3

10 Millionen C

1010 bar


Bedingungen für ein Energie erzeugendes D-T-Plasma

Deuterium-Tritium

Plasma

1014 cm-3

100 Millionen C

3 bar

Wasser

1022 cm-3

20 C (300 K)

1 bar

cc


Die Sonne


Plasmen auf der Erde

cc

cc

cc


Großteil der sichtbaren Materie ist Plasma

Arctic light - Frank Olsen [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], from Wikimedia Commons


Wärmeisolierung

Taußen

Tinnen


Wärmeisolierung

Taußen

Tinnen

Magnetfeld


Wärmeisolierung durch ein Magnetfeld

Ohne Magnetfeld

Mit Magnetfeld

ElektronMagnetfeldlinie

Magnetische Kraft

(elastische Seiten)

Gasdruck

Plasmadruck


Magnetfeld

CC BY-SA 3.0


Torus


Tokamak oder Stellarator

Stellarator (steht für die

Nutzbarmachung der Energiequelle der

Sterne)

L. Spitzer (Princeton Plasma Physics

Laboratory)

Magnetfeld im Wesentlichen durch

äußere Spulen erzeugt

Tokamak (aus dem Russischen von

„toroidalnaya kamera w magnitnych

katuschkach“ / toroidale Kammer in

Magnetspulen)

I. Tamm und A. Sakharov

Wesentlicher Teil des Magnetfelds

durch elektrischen Strom im Plasma

erzeugt

StellaratorTokamak


Tokamak oder Stellarator

StellaratorTokamak

Weiter entwickelt aber

gepulst

ITER ist ein Tokamak

Erstmalig Energieerzeugung

mit Fusion

Günstigere Eigenschaften für

Kraftwerksbetrieb (stationär)

Wendelstein 7-X ist ein Stellarator

Nachweis der notwendigen Plasma-

eigenschaften (keine

Energieerzeugung)


Magnetischer Einschluss

Magnetisch

eingeschlossenes Plasma

Abkühlzeit: Sekunden

Plasma in der

Sonne

Abkühlzeit:

10 Millionen Jahre


Themen …






Greifswald


Erstes magn. Einschlussexperiment war ein Stellarator

Lyman Spitzer

mit Figur-8-

Stellarator

Courtesy of PPPL


Der Tokamak übernimmt …

Erreichen fusionsrelevanter Temperaturen im Tokamak T3 (1969,

Kurtschatow-Institut, Moskau) führt zur schnellen Weiterentwicklung des

Tokamakprinzips

alltheworldstokamaks.wordpress.com/gallery-of-external-

views/t3/


Größtes derzeit laufendes Fusionsexperiment – JET

EUROfusion, JET


JET von innen

16 MW Fusionsleistung für ~ 1

Sek PFusion ~ P Heizung oder P ~

0.2×PHeizung

EUROfusion, JET


500 MW Fusionsleistung in ITER

Inbetriebnahme 2025, Fusionsleistung > 2030

www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/4 - aerial/2018/aerial_20-11000.jpg

500 MW Fusionsleistung für 100

Sek PFusion ~ 10×P Heizung oder P ~

2×PHeizung


Fusionreaktionen

Optimale Temperatur

10 – 20 keV

(~ 100 Mio. K)


Fusionsparameter (magnetischer Einschluss)

Wegen Stabilität

Aus technischen Gründen B ~ 5T (Supraleitung, mechanische Kräfte)

Zusammen mit optimaler Temperatur (D-T Reaktion) ~10 keV

Aus Leistungsbilanz folgt (D-T Fusion)

Deshalb

Erreicht

T > 10 keV

n > 1020 m-3

E ~ 1 sec 10


Europäische Roadmap – 8 Aufgaben („Missions“)

www.euro-fusion.org/eurofusion/roadmap/


Stationärer Betrieb bei hinreichend hohem n T E

Courtesy M. Kikuchi

W7-X

Ganz wichtiger Aspekt: Selbstheizung des Plasmas durch -Teilchen aus der Fusionsreaktion

Zentrale Aufgabe von ITER


Wärmeabfuhr

• Typische Wärmeflüsse

Fusion ~ 1.000 – 10.000 kW/m2

Fossil, Spaltung ~ 500 kW/m2

Solar < 1.4 kW/m2 (Durchschnitt in

Deutschland 0.1 kW/m2)

• Begrenzung der lokalen

Wärmeflüsse durch

Wärmestrahlung

Homogen über die Oberfläche des

Plasmagefäßes verteilt

Durch gezieltes Einbringen von

Verunreinigungen


Wärmeabfuhr

Wärme

• Typische Wärmeflüsse

Fusion ~ 1.000 – 10.000 kW/m2

Fossil, Spaltung ~ 500 kW/m2

Solar < 1.4 kW/m2 (Durchschnitt in

Deutschland 0.1 kW/m2)

• Begrenzung der lokalen

Wärmeflüsse durch

Wärmestrahlung

Homogen über die Oberfläche des

Plasmagefäßes verteilt

Durch gezieltes Einbringen von

Verunreinigungen


Neutronentolerante Materialien

• Vorteil der Neutronen

Sie übertragen 4/5 der

Fusionsenergie in das

Blanket-Volumen

• Nachteil der Neutronen

Aktivierung der betroffenen

Materialien

Versprödung etc.

• Lösungsweg

Design und Entwicklung

neutronentoleranter

Materialien

Final Report of the European Fusion Power Plant Conceptual

Study

EFDA(05)-27/4.10

Eurofer: Niedriger aktivierbarer ferritischer

Stahl, Wiederverwendung nach 100

Jahren100 years


Geschlossener Tritium-Kreislauf

• Entscheidende Frage

Ausreichende Produktion von

Tritium bei gleichzeitiger

Vermeidung großer

Tritiummengen

• Lösungsansätze, Beispiel

Innovative Isotopentrennung und

direkte Rückführung des aus dem

Plasmagefäß abgepumpten

Tritiums

4He

T

Li

Li

Tritiumaufbereitung

Deuterium

KühlungDampf-

erzeugerGenerator

Turbine

Heliumab-

fuhr

Lithium-Blanket

(regelmäßiger Austausch)

Plasmagefäß

T

D4He

n

Li

Li

Grafik: A. Kleiber


Weitere Roadmap Missions

Intrinsische Sicherheitseigenschaften

• Vermeidung leicht aktivierbarer Materialien

• Sicherstellen, dass Nachwärme (Blanket, Plasmagefäß) auch ohne

aktive Kühlung abgeführt werden kann

• Verwendung geeigneter Kühlmittel (z.B. Heliumkühlung)

• Minimierung des Tritiuminventars

• …

DEMO Design und Systementwicklung

• Wichtiger Aspekt: Physikalische und technische Lösungen müssen

kompatibel sein


Example of a complex problem: Plasma turbulence


Wichtige Entwicklungsschritte

Erhöhung des Triple-Produkts um 4 Größenordnungen

Entdeckung eines Einschlusskonzepts, welches in der Lage ist, ein

brennendes Fusionsplasma zu erzeugen: Tokamak (1968) und H-mode

(1984) bilden die Grundlage des ITER-Designs

Deuterium-Tritium-Betrieb in JET mit 16 MW Fusionsleistung (1997)

Entwicklung der Stellarator-Optimierung und Baubeginn von W7-X (1996)

Viele entscheidende Fortschritte bei der Entwicklung von

Fusionstechnologien, z.B.

Stationäre 1 MW-Mikrowellenröhren für die Plasmaheizung

Supraleitende Magnete aus Nb3Sn für höhere Magnetfelder

Stromzuführungen aus Hochtemperatur-Supraleitern

Austausch von Kohlenstoff als Material für die Wand des Plasmagefäßes

gegen Wolfram (2007 in ASDEX Upgrade, 2011 in JET, auch für ITER

vorgesehen)

Zunehmendes theoretisches Verständnis des Plasmaeinschlusses erlaubt

bessere Extrapolation (Hochleistungsrechner)


Weitere Roadmap Missions

Intrinsische Sicherheitseigenschaften

• Vermeidung leicht aktivierbarer Materialien

• Sicherstellen, dass Nachwärme (Blanket, Plasmagefäß) auch ohne

aktive Kühlung abgeführt werden kann

• Verwendung geeigneter Kühlmittel (z.B. Heliumkühlung)

• Minimierung des Tritiuminventars

• …

DEMO Design und Systementwicklung

• Wichtiger Aspekt: Physikalische und technische Lösungen müssen

kompatibel sein

Wirtschaftlichkeit

Stellarator

• Alternatives Einschlusskonzept, was günstigere Stabilitätseigenschaften

besitzt und bessere Wirtschaftlichkeit verspricht


Themen …




… Wendelstein Experimente


Greifswald


Wendelstein 7-X design required …

… eine aufwändige Optimierung für die Auslegung eines speziell

geformten Magnetfeldes

Physikalische Optimierung: Einschluss, Stabilität, Wärmeabfuhr, …

Ingenieursaufgaben: Baubare modulare Spulen, Tragstruktur, Präzision,

…

Erfordert Hochleistungsrechner

W7-X Spulenanordnung ist

die “natürliche” Lösung des

Optimierungsproblems

Grafik: IPP


Ein ganz speziell geformtes Magnetfeld

Magnetfeldstärke

3 T

Supraleitende Spulen

70

Kalte Masse /

Gesamtmasse

425 t / 700 t

Plasmavolumen

30 m3

Plasmadauer bis

30 Minuten

Heizleistung

10 MW

Maximale Wärmeflüsse

10 MW/m2

Grafik: IPP


Ein ganz speziell geformtes Magnetfeld

Magnetfeldstärke

3 T

Supraleitende Spulen

70

Kalte Masse /

Gesamtmasse

425 t / 700 t

Plasmavolumen

30 m3

Plasmadauer bis

30 Minuten

Heizleistung

10 MW

Maximale Wärmeflüsse

10 MW/m2

IPP, Bernhard Ludewig


Bau und Montage

Bereits der Bau einer solchen Anlage ist ein

Forschungs- und Entwicklungsprojekt

10 Jahre Montagedauer

(2005 – 2014)

www.youtube.com/watch?v=MJpSrqitSMQ

IPP, Wolfgang Filser


Bau und Montage

Eines von fünf 130

Tonnen

Magnetfeldmodulen

IPP, Beate Kemnitz


Bau und Montage

IPP, Bernhard Ludewig


Abkühlen 425 t kalter Masse auf -269C

He inlet

Coils

Support structure


Abkühlen 425 t kalter Masse auf -269C

4 K

He inlet

Coils

Support structure


Sichtbarmachen der Magnetfeldlinien

IPP, B. Kemnitz


Sichtbarmachen der Magnetfeldlinien

M. Otte, IPP 2015


Plasmaerzeugung, Plasmaheizung mit Mikrowellen

Übertragung mit Spiegeln durch

Luft

IPP, A. Richter-Ullmann

Mikrowellenröhren

mit 1 MW Leistung

IPP, U. Schwenn


Im Plasmagefäß (2017)

Ringvorlesung Lise Meitner67

Plasmabetrieb (September 2017)



Plasmastrukturen entlang Magnetfeldlinien in W7-X



Temperatur- und Dichteverlauf eines W7-X Plasmas


Courtesy U. HöfelPlasmadurchmesser (1 m)

Tem

pera

tur

(10 M

illio

nen

C)


Wärmeabfuhr am Plasmarand (“Inseldivertor”)

Kontrollierte Wärme- und Teilchenabfuhr durch offene

Magnetfeldlinien, die auf eigens dafür ausgelegte Targetplatten treffen

IR-Bild

(Tmax ~ 300C)

überlagert mit CAD

Darstellung der

Gefäßwand


Stationärer Betrieb: Wendelstein 7-X

Courtesy M. Kikuchi

W7-X

1.

Kampagne

2. KampagneW7-X ab 2021

2. Kampagne


Vollständige Kühlung des Plasmagefäßes bis 2021

Wasserverteiler für die Kühlung aller

Komponenten im Plasmagefäß

Speziell entwickeltes Target, welches stationäre

Wärmeflüsse bis 10 MW/m2 abführen kann

Grafik: IPP, Konstruktionsteam

IPP, P. Zasche


Zusammenfassung

Fusionsforschung hat die Grundlagen für die Erzeugung eines

ersten brennenden Fusionsplasma geschaffen

ITER und Wendelstein 7-X ergänzen sich

Wendelstein 7-X: Nachweis, dass das Konzept die

grundlegenden Eigenschaften für die Weiterentwicklung zu einem

Kraftwerk besitzt (kein D-T, keine Energieerzeugung)

ITER (Tokamak): Erstmalig kontrollierte Energieerzeugung durch

Fusion (500 MW Fusionsleistung bei 50 MW zugeführter

Leistung)

Wendelstein 7-X nutzt die fundamentalen Vorteile des

Stellarators

Intrinsisch stationärer Einschluss eines Fusionsplasmas

Wendelstein 7-X hat erfolgreich Messkampagnen abgeschlossen

Plasmen bis 30 Minuten Dauer ab 2021


Entscheidende Elemente für die weitere Entwicklung

• Verbesserte Konzepte

Wendelstein 7-X

• Erstes brennendes Fusionsplasma,

erstmalig Tritiumbrüten

ITER

• Physikalisches Verständnis

Extrapolation

• Technologieentwicklung

Z.B. HT-Supraleiter

• Niedrig aktivierbare Materialien

Neutronenquelle

• Erstes integriertes Design eines

Demonstrationskraftwerkswww.euro-fusion.org/eurofusion/roadmap/

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