Ferienakademie Kernfusion. von Matthias Dodenhöft

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1 Ferienakademie Kernfusion von Matthias Dodenhöft 1

2 Inhalt 1. Geschichte der Kernfusion 2. Physikalische Grundlagen 3. Kernfusion auf der Sonne 4. Kernfusion auf der Erde 4.1 Umsetzung 4.2 Tokamak 4.3 Stellarator 5. Ausblick 2

3 1. Entwicklung der Kernfusion 1919 Entdeckung durch Ernest Rutherford 1928 Deutung mithilfe der Quantenmechanik Kernfusion als Energiequelle der Sonne 1934 erste künstliche Fusion von Deuterium und Tritium zu Helium Zuerst militärische Waffenentwicklung 1952 Zündung einer Wasserstoffbombe 3

4 Wasserstoffbombe Ivy Mike 4

5 Entwicklung der Kernfusion 1. Forschungsprojekt nach dem 2. Weltkrieg Entwicklung von zwei Varianten: Stellarator (USA) und Tokamak (UdSSR) 1983 startet die Versuchsanlage JET (Joint European Torus) Nachfolger: ITER - Fertigstellung 2018 geplant Baukosten ca. 5 Milliarden Euro 5

6 Größenvergleich JET und ITER 6

7 Entwicklung der Reaktoren 7

8 Entwicklung der Kernfusion Tokamak ist führender Experimenttyp ABER: Stellarator noch nicht aufgegeben Bau von Wendelstein 7-X in Greifswald (2014) Max-Planck- Institut für Plasmaphysik in Garching: Wendelstein 7-AS ( ) Berechnung der Konfiguration für die Magnetfelder mit Supercomputern 8

9 Zukunftsvision von

10 Inhalt 1. Geschichte der Kernfusion 2. Physikalische Grundlagen 3. Kernfusion auf der Sonne 4. Kernfusion auf der Erde 4.1 Umsetzung 4.2 Tokamak 4.3 Stellarator 5. Ausblick 10

11 Physikalische Grundlagen der Kernfusion Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile (von Aristoteles) 11

12 Massendefekt beim 4 He Kern mp = 1, kg mn = 1, kg 2mp + 2mn = 6, kg Aber genaue Massenbestimmung ergibt: m 4 He = 6, kg 12

13 Bindungsenergie ΔE = Δm c² ΔE = 28,3 MeV Für jedes Nukleon bei 4 He : ΔE 7,1 MeV Bei jedem Element verschieden Wert zwischen 7 und 9 MeV (Außer bei sehr leichten Atomkernen) 13

14 Bindungsenergie pro Nukleon verschiedener Elemente Kernfusion Kernspaltung 14

15 Grundkräfte der Physik Kraft Charakteristik Reichweite Gravitationskraft immer anziehend unendlich Elektromagnetische Kraft anziehend oder abstoßend unendlich Schwache Kernkraft Auftreten bei radioaktiven Zerfällen, Umwandlung von Protonen in Neutronen weniger als m Starke Kernkraft Zusammenhalt der Protonen im Atomkern ca. 2, m 15

16 Wirkende Kräfte 16

17 Zu überwindender Coulombwall Abstoßende Coulombkraft Faustformel für die Höhe des Coulombwalls 17

18 Potential der Teilchenbewegung 18

19 Begriff des Plasmas gewöhnliches Gas Plasma 19

20 Inhalt 1. Geschichte der Kernfusion 2. Physikalische Grundlagen 3. Kernfusion auf der Sonne 4. Kernfusion auf der Erde 4.1 Umsetzung 4.2 Tokamak 4.3 Stellarator 5. Ausblick 20

21 Kernfusion auf der Sonne 92% der Atome sind Wasserstoff; 7,9% Helium Kern: 1,6% des Volumens, 50% der Masse Im Zentrum: herrschender Druck Pa, Temperaturen von 14,8 Millionen Kelvin Im Kern findet die Fusion statt Umwandlung von 4,3 Millionen Tonnen Materie in Energie (pro Sekunde!!) 21

22 Kernfusion auf der Sonne Wasserstoffbrennen (Wasserstoff Helium) mehrere verschiedene Fusionsprozesse Proton-Proton Fusion CNO-Zyklus (3, Jahre) 22

23 Proton-Proton Reaktion 23

24 CNO-Zyklus (1939) 24

25 Inhalt 1. Geschichte der Kernfusion 2. Physikalische Grundlagen 3. Kernfusion auf der Sonne 4. Kernfusion auf der Erde 4.1 Umsetzung 4.2 Tokamak 4.3 Stellarator 5. Ausblick 25

26 Fusionsmaterial Kernfusion wie auf der Sonne: zu langsam und zu viel Gammastrahlung Erde: Fusion von Deuterium und Tritium 26

27 Blanket Soll innere Wand des Plasmagefäßes bedecken Dicke: 1m Bremst die Fusionsneutronen ab Energieabfuhr über Kühlmittel (Helium) Besteht teilweise aus Lithium Erbrüten des Tritiums 27

28 Blanket Aber: Neutronenverluste! Be oder Pb Neutronenvermehrer Zusätzlich: Abschirmung vor Neutronen 28

29 Stromerzeugung 30

30 Fusionsbedingungen Problem: sehr hohe Temperaturen 31

31 Der Einschluss des Plasmas 32

32 Magnetischer Einschluss Toroidales Magnetfeld lenkt Ionen im Plasma auf Bahnen Aber: Magnetfeld inhomogen Drift Vertikales zweites Feld kompensiert Drift der Ionen (poloidal) 33

33 Spulenmaterial Sehr hohe Belastungen Heute: normalleitende Kupferspulen Zukunft: supraleitende Spulen weniger Energieverbrauch! Kühlung mit Helium Material: Niob-Titan oder Niob-Zinn 34

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35 Spulenquerschnitt 36

36 Verunreinigungen im Plasma Wenige der Stöße im Plasma führen zur Fusion Aber: es kommt zu Energieverlusten (Ionen wandern nach außen) Atome der Gefäßwand gelangen ins Plasma kühlen das Plasma ab (Verunreinigungen) Konzentration der Verunreinigung muss gering sein 37

37 38

38 Plasmabegrenzung Einbau von Limitern Material mit niedriger Ordnungszahl Magnetische Limiter kein direkter Wandkontakt besserer Einschluss Divertor Verunreinigtes Plasma trifft auf Platten Abpumpen von Gas und Helium 39

39 Divertor und Limiter 40

40 Plasmagefäß Vakuumdicht (Drücke < 10-8 mbar) Edelstahl 41

41 Aufheizen des Plasmas Elektrisches Aufheizen: Widerstand des Plasmas Wärmezunahme bei Stromfluss Nur bis Millionen Kelvin Hochfrequenzheizung: Anregung der Ionen (Resonanzfrequenz) Magnetische Kompression: Zusammenpressen des Plasmas (adiabatisch) Erwärmung 42

42 Aufheizen des Plasmas Neutralteilchen-Einschuss: Stöße mit Plasma Ionisation und Energieabgabe 43

43 Brennstoff nachfüllen Neutralteilchen-Einschuss Gaseinlass am Gefäßrand Pelletinjektion (max. 1200m/s) gefrorene Deuterium Kügelchen wichtiges Steuerungselement erleichtert Zündung 44

44 45

45 4.2 Tokamak 46

46 ITER 47

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48 4.3 Stellarator 49

49 50

50 51

51 Inhalt 1. Geschichte der Kernfusion 2. Physikalische Grundlagen 3. Kernfusion auf der Sonne 4. Kernfusion auf der Erde 4.1 Umsetzung 4.2 Tokamak 4.3 Stellarator 5. Ausblick 52

52 Vorteile gegenüber der Kernspaltung Rohstoffe unerschöpflich vorhanden Keine langlebigen radioaktiven Produkte Sicherer als Kernspaltung Aber: Errichtung eines Fusionskraftwerks sehr teuer Gute Chancen in der Zukunft 53

53 Was fehlt noch? Materialentwicklung (Wände) Bau großer supraleitender Magneten Dauerbetrieb des Tokamaks Kraftwerk muss Mindestgröße besitzen geeignet für Industrieländer Frühestens 2050 effiziente Fusion 54

54 Quellen: [1] Physik in unserer Zeit 3 (2007) von Sibylle Günter und Karl Lackner [2] [3] Kernfusion Berichte aus der Forschung vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik [4] [5] Physik in unserer Zeit 4 (2006) von Isabella Milch [6] [7] Experimentalphysik 4 von Wolfgang Demtröder, Springer Verlag 55

55 Abbildungsverzeichnis [8] (Sonnenbild): [9] (Wasserstoffbombe): [10] (Bindungsenergie pro Nukleon) Alle weiteren Abbildungen wurden entweder selbst erstellt oder sind einer der zuvor aufgeführten Quellen entnommen 56

56 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 57