Energie aus der Kernfusion?

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1 XV. Heidelberger Graduiertenkurse Physik (10-14 Oktober 2005) Energie und Umwelt im 21. Jahrhundert Donnerstag 13.10(2): Optionen für die Zukunft (Teil I) Energie aus der Kernfusion? Grenzen der fossilen Energiequellen die kontrollierte Kernfusion auf der Erde? physikalische Grundlagen, der Tokamak und Resultate vom europäischen JET-Projekt ( ) das Weltprojekt ITER eine positive Energiebilanz aus der Fusion: die Zeitskala (Fusionsoptimisten)? 1

2 Warum brauchen wir neue Energiequellen? Falls wir unseren Lebensstil nicht ändern wollen/können: die Weltbevölkerung und der Weltenergiebedarf steigt und steigt; die fossilen Energiereserven sind sehr sehr endlich; die Nutzung der fossilen Energien verursacht den Treibhauseffekt; Energie aus der Kernspaltung ist limitiert (Uran 235); Erneuerbare Energiequellen sind limitiert! Änderung unseres Lebenstils (siehe oben). 2

3 Warum sollten wir Fusions-Forschung machen I? ITER Homepage (Fusion Research): Electricity production consumes a substantial share of this energy use (typically 40% worldwide in 1999) and, for reasons given below, this share is expected to increase considerably in the future. (der tatsächliche Anteil liegt eher bei 16%) Gründe: (a) Wachstum der Weltbevölkerung, (b) mehr Elektrizität bedeutet bessere Lebensqualität, for international stability, nations will seek electricity supply solutions which allow them to become as far as possible independent of the possessors of scarce fuel resources. Despite the drive towards ever-increasing efficiency in electricity use, increased individual electricity demand, particularly by the dominant population, that in developing countries, is expected to increase world electricity consumption substantially by the middle of the 21st century. 3

4 Warum sollten wir Fusions-Forschung machen II Argumente ITER Homepage (Fusion Research): Klimawandel: To stabilize greenhouse gas concentrations in the atmosphere at a level that would prevent dangerous effects on the climate system, the present energy supply system needs to change considerably. Reserven der fossilen Energiequellen: Today most of the worldwide electricity demand is satisfied by fossil fuels, basically by oil, natural gas and coal. If this pattern does not change, the conventional oil and gas resources will last for a couple (eine Generation= 25 Jahre?) of generations at present levels of consumption. Increasing scarcity will drive the prices up. The renewable energy technologies, namely solar, wind, tidal, wave, biomass, geothermal and hydro are already fully or in the process of being developed. 4

5 Warum sollten wir Fusions-Forschung machen III Diagramme von der ITER Homepage (Fusion Research): 5

6 Kontrollierte Fusion I: die Fusionsprozesse H 2 + H 2 H 3 + H MeV H 2 + H 2 He 3 + n MeV H 2 + H 3 He 4 + n MeV H 2 + He 3 He 4 + H MeV (1 MeV = Joule) Tritium H 3 existiert nicht natürlich und muss zusätzlich hergestellt werden! Deuterium + Tritium Helium + n MeV n + Lithium (Li 6 ) Helium + Tritium MeV bei der Fusion von etwa 1 gr (Deuterium + Tritium) wird eine (thermische) Energie von etwa 10 5 kwh frei! 6

7 Kontrollierte Fusion II: Fusion auf der Sonne H 1 + H 1 H 2 + e + + ν MeV H 2 + H 1 He 3 + γ MeV He 3 + He 3 He 4 + 2p MeV pro Sekunde werden etwa 600 Mio Tonnen Wasserstoff fusioniert! Reichweite noch etwa 5 Mrd Jahre! Die Gravitation erlaubt den hohen Druck (10 Mrd bar) und Temperatur (15 Mio Grad) im Innern der Sonne! 7

8 Kontrollierte Fusion III welche Reaktion? Warum man auf die schlechteste Fusionsreaktion setzt? H 2 + H 3 He 4 + n MeV 8

9 Kontrollierte Fusion IV die Sonne nachbauen? Lawson Kriterium (positive Energiebilanz der Fusion): Produkt von Particle Density confinement time > atoms/sec/cm 3 Fusion von Deuterium-Tritium am einfachsten : Tokamak: Temperatur 200 Mio Grad, Druck=6 bar ( Laser Kompression : Temperatur 100 Mio Grad, Druck=100 Mrd bar) Fusionsleistung: W/m 3 (auf der Sonne 300 W/m 3 ) Einschlusszeit: sec 9

10 Kontrollierte Fusion IV Technologie: Tokamak It will most likely take until the year 2000 to bring a laboratory reactor to full commercial utilisation. (Energy, Resources and Policy R. Dorf 1978 Seite 260) Das Ziel scheint nun sichtbar zu werden (Frauenfelder und Henley Teilchen und Kerne 1974) Da die Konstruktion eines Fusionsreaktors eine Vielzahl von ungelösten praktischen Problemen mit sich bringt, steht nicht zu erwarten, dass die Kernfusion innerhalb der nächsten Jahrzehnte zu einer verfügbaren Energiequelle wird. Auf lange Sicht erscheint dies jedoch möglich. Tippler

11 Kontrollierte Fusion V andere Technologien: Tröpfchenkompression und muon-induzierte Fusion Tröpfchenkompression (Laser) Tropfen aus Tritium-Deuterium Gemisch mit Durchmesser von Millimetern Implosion durch Laser-, Röntgen- oder Teilchenstrahlen für extrem kurze Zeit von 4ng/cm 3 auf eine Dichte von 200 gr/cm 3. bei 20 Tröpfchenimplosionen/sec würde man also 2 MW/m 3 Reaktionsvolumen bekommen! muon-induzierte Fusion Durch ersetzen von Hüllenelektronen durch Muonen beim Deuterium kommen die zwei Kerne so nahe zusammen, dass die Fusion freiwillig (nsec) stattfindet. Man müsste erreichen, dass jedes Muon während der kurzen Lebensdauer (2 µsec) einige 100 Fusionen vermittelt. 11

12 der Tokamak: Resultate vom europäischen JET-Projekt I Size: Major Radius= 2.96 m, Minor R.= 1.25 m (horizontal) 2.1m (vertikal); B= 3.45 Tesla, Plasma Volume = 90 m 3, Baukosten 200 Mill. Euro (Jahr 2000), 1973: Design, 1979: Grundsteinlegung, 1983: Beginn der Experimente 1991: erste Fusion Power, 1997: D-T Experiment with 16 MW Peak Fusion Power, 1999: JET status ends. 12

13 der Tokamak: Resultate vom europäischen JET-Projekt II 1997: D-T Experiment with 16 MW Peak Fusion Power (Q 0.65) 1997: 4 MW Power für 4 Sekunden (Q 0.2) und damit 22 MJoule (6.1 kwh(therm.)!) Energie aus der Fusion. 13

14 der Tokamak: Resultate vom europäischen JET-Projekt III Im Vergleich mit anderen Fusionsexperimenten n τ E T 14

15 50 Jahre Forschung und Entwicklung: Fusionsenergie, was mindestens noch fehlt: Q-Wert = 0.6 (Q= Power out/power in, Q sollte mindestens 30 betragen!) Plasma Volumen = 90 m 3 (brauche mindestens 2000 m 3 für 3 GW therm ) Peak Power = 4 MW Power für 4 Sekunden (brauche 3 GW kontinuierlich) Tritium Nutzung= 20 gr (brauche etwa 50 Kg pro Jahr pro für 3 GW therm ) REACTOR JET JET JET ^ ^ n T τ E (m 3 s kev) JG00.47/63c 15

16 der Wunsch der Plasma-Fusions-Physiker: ein grosser (Welt) Tokamak ITER Original ITER Kosten (2000 Dollar?) Q ( steady state ) Tokamak major radius 6.2 m 8.1 m Tokamak minor radius 2.0 m 2.8 m Burn time (steady state) 2000 s 10,000 s Power output 400 MW 1500 MW Plasma volume 840 m m 3 Average neutron wall load 0.6 MW/m 2 1 MW/m 2 Integrated neutron wall load 0.3 MW-year/m MW-year/m 2 (Zahlen von Physics Today March 2000) 16

17 ITER: ein machbarer Welt Tokamak 17

18 was man mit ITER lernen will I Kann man die Erkenntnisse von JET hinauf skalieren? (Plasma Volumen = 90 m m 3 ) Plasmaphysiker erhoffen sich einen Test ihrer Modelle. Das Brüten von Tritium beim intensiven Beschuss mit Neutronen. 18

19 was man mit ITER lernen will II von der ITER home page unter Physics ( The principal physics goals of ITER are: to achieve extended burn in inductively driven plasmas with the ratio of fusion power to auxiliary heating power (Q) of at least 10 for a range of operating scenarios and with a duration sufficient to achieve stationary conditions on the timescales characteristic of plasma processes; to aim at demonstrating steady-state operation using non-inductive current drive with a ratio of fusion power to input power for current drive (Q) of at least 5. In addition, the possibility of higher Q operation will be explored if favourable confinement conditions can be achieved. 19

20 was man mit ITER studieren will The key physics issues that will need to be investigated on ITER are the maintenance of H-mode quality confinement at sufficiently high density, achieving adequate plasma b to produce the requisite fusion power, and hence Q value; the provision of satisfactory power and particle exhaust to ensure acceptable levels of helium and plasma impurities; the evolution of plasma confinement phenomena scaling with size; efficient transfer of a-particle power to the thermal plasma while limiting anomalous a- particle losses, via TF ripple or collective instabilities, to prevent damage to the plasma facing components; to maintain global mhd stability and plasma control such that the thermal and electromagnetic loads, as well as runaway electron currents, arising from disruptions are within acceptable bounds. In order to maintain the programmatic objective, the ITER design includes provisions, wherever it is possible at reasonable cost, to accommodate the likelihood that some of today s predictions will turn out to be different in reality. 20

21 was Kritiker zum ITER Projekt sagen z.b. die Physiker: S. Balibar, Y. Pomeau (directeur CNRS) und J. Treiner (Prof. université P. M. Curie) in Le Monde Kosten für Frankreich (als Host) Mill. Euro (etwa 1/4 der totalen Baukosten!) gleichzeitig wird das gesamte Forschungsbudget radikal gekürzt. Das Ziel die Plasma Physik besser zu verstehen ist eine Frage der Grundlagenforschung wie viele andere auch und sollte keine Sonderbehandlung erfahren! Es macht keinen Sinn einen Revolutionären Rennwagen Motor zu entwickeln wenn man keine Ahnung hat wie man die Reifen bauen und integrieren kann. Ein realistisches Programm in Richtung Fusionsenergie sollte deshalb folgende Fragen untersuchen: Die Tritium Produktionskette (56 Kg Tritium pro Jahr und GWatt Leistung), viel mehr als was alle gegenwärtigen KKW s über Jahre hinaus produzieren. Material confinement im Dauerbetrieb bei extrem hohen Neutronbeschuss. Materialforschung, wir haben keine Ahnung welches Material den extrem hohen Neutronbeschuss aushalten kann. 21

22 vom ITER Projekt zum Prototyp eines Fusionsreaktors? Von der ITER Plasma Forschungsanlage bis zu einem Testreaktor DEMO und PROTO ist noch ein sehr weiter Weg! 22

23 EU Fusionsoptimisten: die nächsten 50 Jahre European Strategy Group (June 2000): ( ITER- the Next Step (200x 2030) Fusion Power: 500 MW therm Long-Duration burning plasma Test blankets concept DEMO- the demonstration Step (2020? 2040?) Fusion Power: 2000 MW therm Net electricity production Tritium self sufficiency High reliability of operation PROTO- the prototype power station (2040? 2060?) Electric Power: 1500 MW el Improved commercial electricity production 23

24 Fusionsenergie am Ende des 21. Jahrhunderts? Tentative Roadmap of Achievements starting from the decision to construct the Next Step Main Achievements Required Design Construction Operation Application of results Production and control of long pulse-burning plasma Heat and particles exhaust (plasma facing components) Test of breeding blanket modules for DEMO Net electricity production (full hot breeding blanket) High reliability of operations Qualification of lower activation materials for PROTO Improved economy in electricity production Improved low activation materials Demonstration of a reference low activation steel for DEMO Search for higher performance materials for PROTO Demonstration of waste management and recycling Demonstration of safety management Demonstration of low environmental impact potential Next Step (1/2 GW th ) Accompanying Programme in Physics & Technology Material Development Environ. & Safety DEMO (2 GW th ) Years after decision on Next Step PROTO (1.5 GW e ) Large Scale electricity production This is the conventional roadmap for fusion energy development extracted from Five Year Assessment Report related to the specific programme: Nuclear Energy covering the period " June