KernfusionEnergiegewinnung

Sommerakademie Salem 2008 Zukunft der Energie Ann-Kathrin Perrevoort

Inhalt

• Einführung - 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/kgUran: 2,1*106 MJ/kgDT: 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 kostspieligLösung: 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

1. DT-Kügelchen wird bestrahlt, Plasmahülle bildet sich

2. Rückstoß verdichtet das Innere des Kügelchens

Trägheitseinschluss

3. Hohe Dichte und Temperatur im Kern, Zündung des Plasmas

4. 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)

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)

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