Kernfusion Energiegewinnung

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KernfusionEnergiegewinnung
Sommerakademie Salem 2008 Zukunft der
Energie Ann-Kathrin Perrevoort
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Inhalt

• Einführung
• - DT-Reaktion
• - Energiedichte
• - Heizen
• - Lawson-Kriterium
• - Geschichte der Kernfusion
• Einschlussverfahren
• Magnetischer Einschluss (Tokamak, Stellarator)
• Trägheitseinschluss
• Fusionskraftwerk
• ITER
• Pro und Kontra

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Deuterium-Tritium-Reaktion

• ²H ³H ? 4He 1n 17,6 MeV

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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

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Energiedichte

• Kohle 33 MJ/kg
• Uran 2,1106 MJ/kg
• DT 3,4108 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)

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Heizen des Plasmas

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

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Lawsonkriterium

• Fusionsprodukt nTt
• Lawson nTt gt 61028 sK/m³ gt Zündung
• Energieverstärkung QFusionsenergie/aufgewendete
  Energie

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Geschichte der Fusionsforschung

• 1919 Ernest Rutherford beschießt Stickstoff mit
  a-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

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Magnetischer Einschluss

• Hohe Temperaturen
• - Plasma zerstört Behälterwände
• - Verunreinigungen unterbrechen Fusion
• Plasma besteht aus geladenen Teilchen
• gt Magnetfeld bringt Plasma auf
  Kreis-/Schraubenbahn
• Nachteil Erzeugung starker Magnetfelder (Bv)
  sehr aufwendig und kostspielig
• Lösung supraleitende Magnete
• Lawson n1020m-3, t3s

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Tokamak

• russ. Toroidale Kammer mit Magnetfeld
• Plasmaeinschluss durch schraubenförmiges
  Magnetfeld

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Vorteile/Nachteile

• Am weitesten fortgeschrittener Bautyp
• Induzierter Strom heizt das Plasma

• Kein Dauerbetrieb möglich (wegen dem
  Transformator)

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ASDEX Upgrade

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

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JET Joint European Torus

• weltweit größte Anlage, in Culham (GB)
• Plasmaphysik in der Nähe der Zündung
• 1997 16 MW Leistung, Q0,65

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Stellarator

• lat. stella der Stern
• Magnetfeld wird durch die spezielle
  Spulengeometrie erzeugt
• Plasmaeinschluss ohne Transformator

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Vorteile/Nachteile

• Dauerbetrieb möglich
• Magnetfeld nur von außen vorgegeben kann
  optimiert werden

• Keine Heizung durch Strom im Plasma

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Wendelstein 7-X

• Wird in Greifswald (IPP) gebaut
• Kraftwerkstauglichkeit des Stellaratorprinzips

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Trägheitseinschluss

1. DT-Kügelchen wird bestrahlt, Plasmahülle bildet
   sich
2. Rückstoß verdichtet das Innere des Kügelchens

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Trägheitseinschluss

1. Hohe Dichte und Temperatur im Kern, Zündung des
   Plasmas
2. Plasmabrennen erfasst das gesamte Kügelchen

Lawson n1030m-3, t310-10s
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Fusionskraftwerk

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

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Fusionskraftwerk
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ITER

• Internationaler thermonuklearer experimenteller
  Reaktor
• lat. iter der Weg

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ITER

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

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ITER

• Testreaktor nach dem Tokamak-Prinzip
• 500 MW Leistung, Energieverstärkung Q10
• Radius 6,2m, Magnetfeld 5,3T, Pulslänge 500s
• Untersuchungen des brennenden Plasmas
• Blankettechnologie
• Schlüsseltechnologien (Magnete, Materialien,...)
• Danach Demonstrationskraftwerk DEMO (Q20-30)

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Pro Kernfusion

• Hohe Energiedichte (Jahresverbrauch bei 1000MW
  100kg D 300kg Li)
• Rohstoffe fast unbegrenzt verfügbar
• Geringe Rohstoffkosten, kaum Transport
• gt 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)

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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)

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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