ITER Die Kernfusionsforschung tritt in eine neue Ära Ulrich Samm, Forschungszentrum Jülich

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1 ITER Die Kernfusionsforschung tritt in eine neue Ära Ulrich Samm, Forschungszentrum Jülich Graduiertenseminar Teilchenphysik, RWTH Aachen, Physikalische Institute I, III, TPE, Bad Honnef,

2 ITER der Weg oder International Tokamak Experimental Reactor Erste Demonstration eines brennenden Fusionsplasmas 500 MW Fusionsleistung 8 Minuten Brenndauer Ziel: Entwicklung eines kontinuierlich arbeitenden Fusionsreaktors gemeinschaftliches Projekt von: Europa, Japan, Russland, USA, Korea, China Standort: Cadarache, Frankreich Brennkammer:! Institut für Plasmaphysik Ø 15 m 6.8 m hoch 5.3 T 15 MA 500 MW 8 min

3 Research centres of the European Fusion Associations Euratom-AUL (Latvia) (Budapest) JET (Prague) (Bucharest)

4 Trilateral Euregio Cluster (TEC) Universitäten Düsseldorf Bochum Duisburg-Essen Wuppertal Aachen Brüssel Leuven Mons-Hainaut Gent Louvain-la-Neuve Utrecht Eindhoven Groningen Leiden

5 ITER Die Kernfusionsforschung tritt in eine neue Ära Motive der internationalen Fusionsforschung Prinzipien der Kernfusion Bedingungen zur Energiegewinnung Magnetischer Einschluss ein Erfolgskonzept Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk

6 Motive der weltweit betriebenen Fusionsforschung: Das Weltenergieproblem wachsende Weltbevölkerung steigender Wohlstand versiegende Ressourcen CO 2 Emission und globale Erwärmung Konflikte um Ressourcen wir haben heute die Verantwortung, jede Option neuer Energiequellen zu erforschen

7 Rohstoffe der Kernfusion für den Jahresverbrauch einer Familie (Elektrizität) 75 mg Deuterium 225 mg Lithium zu finden in 2 Litern Wasser und Die Rohstoffe der Fusion sind preiswert und 250 g Gestein Energieinhalt: Millionen Joule entsprechend weltweit gleichmäßig verteilt... eine neue Primärenergiequelle Litern Öl

8 Tröpfchenmodell Das Tröpfchenmodell beschreibt einen Atomkern in Analogie zu einem Flüssigkeitstropfen (Niels Bohr 1936). Die Bindungsenergie des Kerns wird dabei durch Volumenenergie, Oberflächenenergie, Coulombenergie, Symmetrie und Parität beschrieben Die Gesamtbindungsenergie eines Kerns (nach C. F. von Weizsäcker) wird damit: W = c 1 A - c 2 A 2/3 - c 3 Z 2 /A 1/3 - c 4 (A - 2 Z) 2 / A + c 5 δ / A 3/4. Die Bindungsenergie pro Nukleon ergibt sich hieraus durch Division durch die Nukleonenzahl A.

9 Kernfusion ist die Gewinnung von Energie aus Masse: E = mc 2 Bindungsenergie [MeV]/Nukleon Bindungsenergie pro Nukleon Fusion Spaltung (siehe Tröpfchenmodell) Fusion: hohe Energieausbeute pro Masse Massenzahl

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11 Massendefekt Vergleich Chemie/Kernfusion Chemie Kernfusion " " C + O 2 = CO 2 D + T = " + n elektrische WW starke WW )E 1 ev" )E 17.8 MeV (3.5MeV+14.3MeV) )E/M " " " )E/M 10-3

12 Fusionsreaktionen σ" T 2 D + 3 T" " 4 He (3.5 MeV) + 1 n (14.1 MeV)" 1" 10 2 D + 2 D" " 3 He (0.82 MeV) + 1 n (2.45 MeV)" D + 2 D" " 3 T (1.01 MeV) + 1 H (3.02 MeV)" D + 3 He" " 4 He (3.6 MeV) + 1 H (14.7 MeV)" 0.03" 10 2 D + 4 He" " 6 Li (1.7 MeV)" " " 2 D + 6 Li" " 3 He + 4 He + 1 n MeV" " " " " " " " 3 T + 3 T"" " 4 He n MeV" 3 T + 3 He" " 4 He + 2 D MeV" 3 He + 3 He" " 4 He H MeV" 3 He + 4 He" " 7 Be (1.5 MeV)"" p + 11 B" " 3 4 He (8.68 MeV)" 0.002" 100

13 Tritium Halbwertszeit 12 a freigesetzte Bindungsenergi e 17.6 MeV oder J natürliche Häufigkeit des Isotops Deuterium D : H = 1:6000

14 Lithium - Brüten Tritium ist radioaktiv. Wegen der Halbwertszeit von nur 12 Jahren ist es in der Natur nicht ausreichend vorhanden. Tritium muss deshalb künstlich aus Lithium hergestellt ( erbrütet ) werden. Die Rohstoffe der Fusion sind Deuterium und Lithium

15 Fusionskraftwerk: konventionelle Peripherie um "innovativen" Kern Fusionsasche = Helium Rohstoff e Nutzung der kinetischen Energie über Wärmetauscher zur Erzeugung von Dampf

16 Deuterium- Tritium- Kreislauf D + T He 4 + n. Li 6 + n T + He 4 und Li 7 + n T + He 4 + n

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18 Fusionsleistungsdichte 70 kev = 700 Millionen Grad

19 Fusionsleistungsdichte 10 kev = 100 Millionen Grad

20 Energieaufwand für Beschleunigung: " E = T / η (η Wirkungsgrad) E = 100 kev / 0.3 Energiegewinn durch Fusion E f = 14.7 MeV Verhältnis der Reaktionsraten (Wirkungsquerschnitte) Coulomb / Fusion R >= 30 Energiebilanz E f / E " 14.7 MeV * η = 0.4 " R * 100 kev / η Fusion in Beschleunigeranlagen kann prinzipiell keine positive Energiebilanz (>1) haben In thermischen Plasmen führen Coulombstöße nicht zu Energieverlusten. Aber die Energieeinschlusszeit muss hoch genug sein. Fusionsenergie nur aus thermischen Plasmen

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22 relevante Parameter: Energieeinschlusszeit τ E Dichte n Temperatur T Alpha-Teilchen-Heizung

23 energy amplification Q Q vs TauE

24 Fortschritt in der Fusionsforschung Das Tripleprodukt ntτ wird alle 1,8 Jahre verdoppelt Freisetzung von Fusionsenergie im 500 MW Bereich beginnt mit ITER Institut für Plasmaphysik

25 Vorbild Sonne Kernfusion bei 10 Millionen Grad in der Sonne hohe Temperatur Vorbilde Sonne Plasma hoher Druck

26 magnetischer Einschluß

27 Der Stellarator Lyman Spitzer

28 Der Tokamak Igor J. Tamm Andrei D. Sacharow

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31 TEXTOR plasma

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33 Tokamak bisher am erfolgreichsten JET innen (mit Mensch) Erzeugung von Hochtemperaturplasmen bis 400 Mill. Grad auf der Erde bereits möglich Joint European Torus in JET Break-Even erreicht, Q=1 16 MW Fusionsleistung

34 1969 T3: Durchmesser der Maschine: 2 m Durchmesser des Plasmas: 30 cm Entladungsdauer: 70 ms Erster Tokamak am Kurchatov Institut, Moskau

35 Erste Erfolge erste Bestätigung fusionsrelevanter Temperaturen in einem Tokamak: bis zu 10 Mio. C in T3, Kurchatov Institut, Moskau N. J. Peakock et al., Nature 1969

36 development of the tokamak concept gaining by learning and size

37 Transport in magnetisierten Plasmen Non- linear Gyro -Landau Fluid Calculation... ist durch Turbulenzen dominiert (meistens). verschiedene Mechanismen treiben Turbulenzen an Theorie noch unvollständig bestimmte Plasmabedingungen unterdrücken Turbulenz (teilweise)

38 wie kann man die Wärmeisolation verbessern? weniger turbulente Plasmen größeres Volumen (größere Leistung) niedrigere spezifische Leitfähigkeit dickere Wände

39 ITER Major Design Parameters " " " " " " " " Plasma Major Radius, R, (m) 6.2 Plasma Minor Radius, a, (m) 2.0 Plasma elongation, κ95, κx" 1.7, 1.84 Plasma triangularity, δ95, δx" 0.33, 0.50 Plasma Configuration"" Single null divertor Nominal Plasma Current, (MA) 15 MHD Safety Factor for nominal plasma current, q 95 ~ 3.0 Plasma Volume (m 3 ) 815 Plasma Surface (m 2 ) 673 Toroidal Field at Major Radius, (T ) 5.3 Inductive pulse flat top under burn conditions (s)" 400 Nominal Average Neutron Wall Loading, (MW/m 2 ) 0.56 Nominal Fusion Power, (MW) 500 Total Average Neutron Fluence, (MWa/m 2 ) ~ 0.3 Total numbers of pulses of nominal inductive scenario (used for fatigue analysis)" 30,000

40 Typical Parameters of Q=10 Inductive Operation " " " " " " " " " " " " " Volume-averaged temperature <T i >/<T e > (kev) 8.8/8.0 Volume average density, ne (10 20 m -3 )" 1.13 Ratio relative to Greenwald limit (n e /n GW ) 0.85 Impurity fractions (fbe, fhe, far) 0.02, 0.043, Zeff 1.69 Fusion power (MW) 500 Radiated power (MW) 66 Heating power (MW) 50 Energy confinement time τe (s) 3.4 Scaling enhancement factor H H 1.0 Toroidal beta, βn =[β(%)/(i/ab)] (normalised/%)" 2.0/2.9 Poloidal beta, βpol" 0.7 Nominal plasma internal inductance, li(3) 0.84 Plasma internal energies: Thermal/Magnetic (15 MA) (MJ)" 357/~350 Plasma triangularity, δ95, δx" 0.33, 0.50 Plasma elongation, κ95, κx" 1.7, 1.84

41 Fusionsleistung P fus MW alpha-teilchen- Heizung P α MW externe Heizung P aux MW P α / P α +P aux % Energieverstärkung Q JET ITER Kraftwerk

42 Auxiliary Heating and Current Drive Total injected power, (MW)" " 73 (startup) 133 (maximum) " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " Start up ECRF system frequency, (GHz)" 120 total power, (MW)" 2 EC H&CD system number of ports" 1(2) equatorial, 3 upper frequency, (GHz)" 170 total power, (MW)" 20(40) IC H&CD system number of ports" 1 frequency range, (MHz)" total power, (MW)" 20 NB H&CD system number of ports/injectors" 2 (3 possible) beam energy (MeV)" 1 total power, (MW)" 33 (50) LH H&CD (lower hybrid frequency) system number of ports 0(2) frequency, (GHz)" 5 total power, (MW)" 0(40)

43 total cost about 5 Billion Euro cost distribution

44 ITER Querschnitt

45 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk prinzipiell gelöst (Erzeugung des Fusionsplasmas) Heizung des Plasmas auf >100 Mill Grad Hohe Plasmadichten (10 20 m 3 ) Hinreichender Energieeinschluss Probleme (technisch-physikalischer Dauerbetrieb) Plasma-Wand-Wechselwirkung (Materialfragen) Stromtrieb, Effizienz weiterhin wird an alternativen Einschlusskonzepten geforscht (z.b. Stellarator, Kompakttokamak)...

46 Plasma-Wand-Wechselwirkung in ITER 680 m 2 Wand Beryllium Wolfram baffles 6-8 m 2 strike point Wärmeabfuhr auf Wand <0.22 MW/m 2 am strike point < 10 MW/m 2 Teilchenrecycling ~ D/T-Atome m -2 s -1 Heliumabfuhr τ He 10 s Divertor Graphit Targetplatten

47 Large Helical Device Toki, Japan

48 Large Helical Device Toki, Japan

49 ein neues Stellaratorkonzept: Wendelstein 7-X in Greifswald 49

50 road map to fusion power - R&D needs Plasma physics Tokamak Physics, Improved Scenarios, Plasma-Wall Interaction, Diagnostics Concept Improvements, Wendelstein 7-X first electrical power production commercial fusion power Decision point Facilities ITER 14 MeV neutron source DEMO Technology ITER-relevant Technology Materials, Breeder Blankets, Tritium Technology, Magnets