Kernfusion durch magnetischen Einschluss

Transkript

1 Bachelor Seminar SoSe Juli 2012

2 Gliederung Grundlagen der Kernfusion 1 Grundlagen der Kernfusion 2 Grundprinzip des magnetischen Einschlusses Der Tokamak Der Stellarator 3

3 Die Deuterium-Tritium-Reaktion Tritium p n n Helium p n n p n p n n p 3.5 MeV p n Deuterium Neutron n 14 MeV

4 Woher kommt die Fusionsenergie?

5 Fusion dank Kernkraft und Tunneleffekt Energie Kernkraft Coulomb- Barriere Klassisch Quantenmechanisch Abstand der Kerne Coloumb-Barriere hat endliche Höhe Tunneleffekt macht Fusion bei niedrigeren Energien möglich Deuterium-Tritium-Fusion Barrierehöhe: ca. 400 kev ( = K) Praxis: ab 10 kev ( = 10 8 K)

6 Wann zündet das Plasma? Wichtige Plasmaeigenschaften: Temperatur T Dichte n Energieeinschlusszeit τ E Fusionsprodukt muss eine Mindestgröße haben: Lawson-Kriterium 21 kev s n τ E T > 3 10 m 3 Zündbedingung für ein D-T-Plasma Temperatur: 10 8 Kbis K Dichte: cm 3 Einschlusszeit: 1s bis 2s

7 Grundprinzip des magnetischen Einschlusses Der Tokamak Der Stellarator Grundprinzip des magnetischen Einschlusses ohne Magnetfeld F L = q v B mit Magnetfeld Teilchen durch Spiralbahnen an Magnetfeld gebunden Minimierung Plasma-Wand-Kontakt

8 Der Tokamak Grundlagen der Kernfusion Grundprinzip des magnetischen Einschlusses Der Tokamak Der Stellarator Toroidalnaya Kamera s Magnitnymi Katushkami russ.: toroidale Kammer mit Magnetfeldspule 1952 in Russland entwickelt Igor E. Tamm und Andrej D. Sacharov Einschluss durch Spulensystem und Plasmastrom

9 Tokamak-Prinzip Grundlagen der Kernfusion Grundprinzip des magnetischen Einschlusses Der Tokamak Der Stellarator Vertikalfeldspule Transformatorspule Toroidalfeldspule Plasmastrom Plasma Magnetfeldlinie

10 Grundprinzip des magnetischen Einschlusses Der Tokamak Der Stellarator Poloidalfeld Plasmastrom Toroidalfeld resultierendes Helikalfeld

11 Der Stellarator Grundlagen der Kernfusion Grundprinzip des magnetischen Einschlusses Der Tokamak Der Stellarator lat.: stella - der Stern 1951 in Princeton/USA entwickelt älteste Konzept Einschluss allein durch Spulensystem Lyman Spitzer

12 Grundprinzip des magnetischen Einschlusses Der Tokamak Der Stellarator Magnetfeld und Spulensystem des Wendelstein 7-X Abnahme der magnetischen Flussdichte

13 Grundprinzip des magnetischen Einschlusses Der Tokamak Der Stellarator Vorteile und Nachteile der Experimenttypen Tokamak: Vorteile Heizung durch Plasmastrom fortgeschrittenste Konzept Nachteile ohne Zusatzmaßnahmen nur gepulster Betrieb Stellarator: Vorteile Dauerstrichbetrieb Keine strombedingten Instabilitäten Nachteile in der Entwicklung zurück

14 Verlauf der Fusionsexperimente

15 Verdoppelung des Fusionsprodukts alle 1,8 Jahre (Taktrate von PC-Prozessoren Verdoppelung alle 2 Jahre) JET: Um Faktor sechs von der Zündbedingung entfernt ITER: Nachweis der Machbarkeit eines länger brennenden Plasmas DEMO: Soll erstmals Strom aus Kernfusion erzeugen

16 Verdoppelung des Fusionsprodukts alle 1,8 Jahre (Taktrate von PC-Prozessoren Verdoppelung alle 2 Jahre) JET: Um Faktor sechs von der Zündbedingung entfernt ITER: Nachweis der Machbarkeit eines länger brennenden Plasmas DEMO: Soll erstmals Strom aus Kernfusion erzeugen Fusionsenergie könnte etwa ab 2050 wirtschaftlich nutzbar sein!

17 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

18 Quellen Grundlagen der Kernfusion DPG : grundlagen_fusion.html Broschüre der Helmholtz-Gemeinschaft: Kernfusion Demtröder: Experimentalphysik, Band 4: Kern-, Teilchen- und Astrophysik http: //

19 Reservefolien

20 Plasmaheizung beim Tokamak Ohm sche Heizung Hochfrequenz-Heizung (Ionen: MHz, Elektronen: GHz) Neutralteilcheninjektion

21 Instabilitäten Grundlagen der Kernfusion Stromrichtung Stromrichtung Druck Druck Magnetfeldlinie Magnetfeldlinie Anzahl Instabilitäten sehr groß Hauptarbeitsfeld in den Anfängen der Fusionsforschung

22 Verunreinigungen 10 0 Maximal zulässige Verunreinigungskonzentration Mio Grad C O 200 Mio Grad Fe W durch Plasma-Wand-Kontakt gebundene Elektronen strahlen Energie ab keine Zündung ab gewisser Konzentration große Aufgabe der Forschung Ni Mo Ordnungszahl