Energieversorgung Kernfusion oder doch Windräder?
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- Jonas Pfeiffer
- vor 8 Jahren
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1 Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Energieversorgg - Kernfusion oder doch Windräder? Ralph Dux MPI für Plasmaphysik Garching, Boltzmannstr. 2 Ralph.Dux@ipp.mpg.de
2 Prolog Windräder in 10: 26GW installierte Leistg in Deutschland fktionierende Technologie Leistg fluktuiert hoher Flächenverbrauch R. Dux Energieversorgg
3 Prolog Windräder in 10: 26GW installierte Leistg in Deutschland fktionierende Technologie Leistg fluktuiert hoher Flächenverbrauch Kernfusion Kraftwerke mit typ. 1 GW Leistg Dauerbetrieb erfordert noch viel F&E R. Dux Energieversorgg
4 Prolog Windräder in 10: 26GW installierte Leistg in Deutschland fktionierende Technologie Leistg fluktuiert hoher Flächenverbrauch Kernfusion Kraftwerke mit typ. 1 GW Leistg Dauerbetrieb erfordert noch viel F&E R. Dux Energieversorgg
5 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk eine Einführg in die Fusionsforschg R. Dux Energieversorgg
6 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk Kernfusion eine erschöpfliche Energiequelle Magnetischer Einschluss von Plasmen Plasmaheizg ITER der nächste Schritt zum Fusionskraftwerk Wandmaterialien Sicherheitsaspekte Zusammenfassg R. Dux Energieversorgg
7 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk Kernfusion eine erschöpfliche Energiequelle Magnetischer Einschluss von Plasmen Plasmaheizg ITER der nächste Schritt zum Fusionskraftwerk Wandmaterialien Sicherheitsaspekte Zusammenfassg R. Dux Energieversorgg
8 Fusion leichter Atomkerne setzt Energie frei Gebdene Nukleonen sind 'leichter' als freie Nukleonen Bindgsenergie / Nukleon Masse wird in Bindgsenergie (die beim Verschmelzen frei wird) umgesetzt: E= mc 2 D n n Energiegewinn aus Kernverschmelzg: Sterne T He n Kernspaltg: Atomreaktor U R. Dux Energieversorgg
9 Kernfusion auf der Erde die geeignete Reaktion Rate für DD d DT Reaktionen viel größer als bei p-p Reaktion. Ein DT Plasma ist der Kandidat für ein Fusionskraftwerk x Probleme: hohe Temperatur (> 1 Mio o C) T ist radioaktiv: t 1/2 =.3 Jahre T nicht einfach verfügbar; muss im Reaktor aus Li erbrütet werden R. Dux Energieversorgg
10 Kernfusion auf der Erde Eigenschaften Deuterium n p p n Tritium n Fusion AxKa0608 D + T 4 He + n + 17,6 MeV n p n p n Neutron Helium ( 4 He) Energie wird hauptsächlich von den entstehenden Neutronen aufgenommen. Problem: Aktivierg von Gefäß- materialien Helium heizt Plasma (α-heizg) Resourcen für Tausende von Jahren verfügbar: - D aus Wasser: D:H = 1:70, - T aus Fusionsneutronen + Lithium 6 Li + n 4 He + T + 4.8MeV 7 Li + n 4 He + T +n 5MeV R. Dux Energieversorgg
11 Kernfusion auf der Erde Eigenschaften Fusionsreaktion: D + T 4 He + n MeV Energiefreisetzg: Kernfusion (D+T) J/kg Kernspaltg (U) J/kg Chem. Reaktion (C,O) J/kg D aus Wasser (0.02% D), T aus Li (95% 7 Li, 7.5% 6 Li) FZJ R. Dux Energieversorgg
12 Kernfusion auf der Erde Energiebilanz Einfachste Idee zur Fusion: Wir schießen D,T Teilchenstrahlen gegeneinander. D T Energieaufwand für Beschleigg ~ 0.1 MeV Energiegewinn bei Fusion: 17.6 MeV Energetisch ein gutes Geschäft! R. Dux Energieversorgg - 14.
13 Kernfusion auf der Erde Energiebilanz Einfachste Idee zur Fusion: Wir schießen D,T Teilchenstrahlen gegeneinander. D T Energieaufwand für Beschleigg ~ 0.1 MeV Energiegewinn bei Fusion: 17.6 MeV Energetisch ein gutes Geschäft! Problem: D T Teilchen werden durch elektrische Abstoßg abgelenkt (fast immer) R. Dux Energieversorgg
14 Kernfusion auf der Erde Energiebilanz Fusionsreaktion: sehr schwieriges Hindernis sehr tiefes Loch Lösg: sehr viele Versuche ohne dass die Teilchen für jeden Versuch neu beschleigt werden müssen Einschluss von DT-Gemisch bei hoher Temperatur (0 Millionen C) bei dieser Temperatur wird jedes Gas zum PLASMA R. Dux Energieversorgg
15 Plasma : vierter Aggregatzustand von Materie Plasma: ionisiertes Gas (vierter Aggregatzustand) Temperatur Festkörper Flüssigkeit Gas Plasma Neutraler Wasserstoff Temperatur 1 o C Ionisierter Wasserstoff (Plasma) Temperatur 1 o C Proton Elektron Proton Elektron Kerne d Elektronen bewegen sich abhängig von einander R. Dux Energieversorgg
16 Physikalische Voraussetzgen für die Fusion Elastische Coulombstöße viel wahrscheinlicher als Fusionstöße: Teilchen müssen eingeschlossen werden Zündbedingg: Heizleistg Verlustleistg führt zu nτ 2 e n 4 α-heizg 2 nekt σv Eα cbrne kt + 3 τ 1 4 Strahlgsverlust (Bremsstrahlg) 3kT e E = σveα cbr kt E Wärmeleitg, Konvektion (τ E : Energieeinschlußzeit) f( T) wird minimal bei T=keV (0 Mill. K) : nτ Ε = 2 x 10 m -3 s R. Dux Energieversorgg
17 Was bedeutet τ E? Temperatur 1/e Zeit τ E ist ein Maß wie schnell das Plasma Energie verliert: Kleine Verluste / großes τ E, falls das Plasma groß d/oder gut isoliert ist τ E R. Dux Energieversorgg
18 Möglichkeiten des Plasmaeinschlusses Gravitation: Schwerkraft ist groß genug um Expansion der Plasmen zu verhindern Bsp.: Sterne R. Dux Energieversorgg
19 Möglichkeiten des Plasmaeinschlusses Gravitation: Schwerkraft ist groß genug um Expansion der Plasmen zu verhindern Bsp.: Sterne Trägheit: Schnelle Kompression, Fusion findet statt bevor Expansion einsetzt Bsp.: Inertialfusion, H-Bombe R. Dux Energieversorgg
20 Möglichkeiten des Plasmaeinschlusses Gravitation: Schwerkraft ist groß genug um Expansion der Plasmen zu verhindern Bsp.: Sterne Trägheit: Schnelle Kompression, Fusion findet statt bevor Expansion einsetzt Bsp.: Inertialfusion, H-Bombe Stellarator W7-A (schematisch) Magnetfelder: Geladene Teilchen sind in ihrer Bewegg an Magnetfelder gebden Bsp.: Tokamaks, Stellaratoren R. Dux Energieversorgg - 14.
21 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk Kernfusion eine erschöpfliche Energiequelle Magnetischer Einschluss von Plasmen Plasmaheizg ITER der nächste Schritt zum Fusionskraftwerk Wandmaterialien Sicherheitsaspekte Zusammenfassg R. Dux Energieversorgg - 14.
22 Magnetischer Einschluss I: Lorentzkraft Lorentzkraft: Teilchen bewegen sich auf Spiralbahnen entlang des magnetischen Feldes R. Dux Energieversorgg
23 Magnetischer Einschluss I: Lorentzkraft Lorentzkraft: Teilchen bewegen sich auf Spiralbahnen entlang des magnetischen Feldes R. Dux Energieversorgg
24 Magnetischer Einschluss I: Lorentzkraft Lorentzkraft: Teilchen bewegen sich auf Spiralbahnen entlang des magnetischen Feldes Transport senkrecht zum magnetischen Feld nur durch Stöße and turbulente Prozesse. wegen gehinderter Bewegg parallel zum Feld kein Energieeinschluss in linearer Geometrie. R. Dux Energieversorgg
25 Magnetischer Einschluss I: Lorentzkraft Lorentzkraft: Teilchen bewegen sich auf Spiralbahnen entlang des magnetischen Feldes Transport senkrecht zum magnetischen Feld nur durch Stöße and turbulente Prozesse. wegen gehinderter Bewegg parallel zum Feld kein Energieeinschluss in linearer Geometrie. Lösg: Krümme magnetisches Feld zum Torus! magnetische Feldlinien R. Dux Energieversorgg
26 Magnetischer Einschluss I: Lorentzkraft Lorentzkraft: Teilchen bewegen sich auf Spiralbahnen entlang des magnetischen Feldes Transport senkrecht zum magnetischen Feld nur durch Stöße and turbulente Prozesse. wegen gehinderter Bewegg parallel zum Feld kein Energieeinschluss in linearer Geometrie. Lösg: Krümme magnetisches Feld zum Torus! Feldlinien müssen verschraubt sein um Driften zu kompensieren (Helix) magnetische Feldlinien R. Dux Energieversorgg
27 Magnetischer Einschluss II: Verschrauben der Feldlinien Magnetische Feldlinien Magnetische Flächen Zwei Konzepte zum Verschrauben der Feldlinien: Stellarator d Tokamak. R. Dux Energieversorgg
28 Der Stellarator Lyman Spitzer, 1950, Princeton. Helikale externe Spulen liefern das geforderte verschraubte Feld. Vorteil + gute Kontrolle + stationärer Betrieb Nachteil - verschachtelte Spulen - schlechter Einschluss Optimierg Modularer Stellarator R. Dux Energieversorgg
29 Der Stellarator: Übergang auf modulare Spulen Modulare Spulen R. Dux Energieversorgg
30 WENDELSTEIN 7-X das neue Stellarator Experiment WENDELSTEIN 7-X ist modularer, quasi-symmetrischer Stellarator mit aufwändigen numerischen Rechngen vollständig optimiert im Bau im IPP Teilinstitut in Greifswald (erstes Plasma in 14) Vakuumgefäß W7-X R. Dux Energieversorgg
31 WENDELSTEIN 7-X: eine komplexe Aufgabe für Ingenieure Großer Radius: Kleiner Radius: 5.5 m 0.53 m Plasmavolumen: 30 m 3 N-planare Spulen: 50 Planare Spulen: Magnetfeld: < 3T Heizleistg: < 30 MW Pulslänge: 30 min Höhe: 4.5 m Durchmesser: 16 m Gesamtmasse: 725 t Kalte Masse: 392 t Pentagon-förmig 5 identische Module, je zwei flip-symmetrische Halbmodule R. Dux Energieversorgg
32 Umsetzen des letzten von 5 Modulen auf das Fdament von Wendelstein 7-X (16.Nov.11) R. Dux Energieversorgg
33 Umsetzen des letzten von 5 Modulen auf das Fdament von Wendelstein 7-X (16.Nov.11) R. Dux Energieversorgg
34 Umsetzen des letzten von 5 Modulen auf das Fdament von Wendelstein 7-X (16.Nov.11) R. Dux Energieversorgg
35 Umsetzen des letzten von 5 Modulen auf das Fdament von Wendelstein 7-X (16.Nov.11) R. Dux Energieversorgg
36 Der Tokamak Sacharow d Tamm, 1951, Moskau. Stromänderg in Primärspule induziert im Plasma einen toroidalen Strom (Transformator). Plasmastrom führt zu poloidalem Magnetfeld d zusammen mit dem Toroidalfeld zum helikalen Feld. Strom dient auch zum Aufheizen des Plasmas. Vorteil + guter Einschluss + symmetrischer Aufbau + viel Erfahrg beim Betrieb Nachteil - gepulster Betrieb - Instabilitäten R. Dux Energieversorgg
37 ASDEX Upgrade größter Tokamak in Deutschland Großer Radius = 1.65 m, B t 3,5 T Kleiner Radius = 0.5 m, I p 1,4 MA P Heiz 28 MW, Start des Betriebs in 1991; hier während der Konstruktion in 1989 R. Dux Energieversorgg
38 R. Dux Energieversorgg R. R. R. R. Dux ux ux ux En En Ener ergi giev ever er er erso so so sorg rg rg rg rg rg rg rg rg rg rg rg rg rg rg g Tokamak Blick in das Gefäß von ASDEX Upgrade
39 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk Kernfusion eine erschöpfliche Energiequelle Magnetischer Einschluss von Plasmen Plasmaheizg ITER der nächste Schritt zum Fusionskraftwerk Wandmaterialien Sicherheitsaspekte Zusammenfassg R. Dux Energieversorgg
40 Methoden zur Plasmaheizg Ohmsche Heizg (nur Tokamaks): P OH = I P 2 R P mit R P ~ 1/T 3/2 sehr ineffizient bei hohem T HF Heizg: Einstrahlg von Wellen bei der Zyklotronfrequenz ω C = qb/m Ionen (ICRH): < 1 MHz Elektr. (ECRH): < 180 GHz Schematischer Aufbau einer Hochfrequenzverstärkerröhre Gyrotron (f GHz) R. Dux Energieversorgg
41 Methoden zur Plasmaheizg Neutralteilchen-Injektion (NBI): P NBI = U B I B - Beschleigg von Ionen - Ladgsaustausch in Neutralgas - negative Ionen notwendig für E beam >> 1 kev R. Dux Energieversorgg
42 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk Kernfusion eine erschöpfliche Energiequelle Magnetischer Einschluss von Plasmen Plasmaheizg ITER der nächste Schritt zum Fusionskraftwerk Wandmaterialien Sicherheitsaspekte Zusammenfassg R. Dux Energieversorgg
43 Fusions Produkt Fusionsprodukt ntτ E n - Dichte T - Temperatur τ E - Energie Einschlusszeit τ E = W plasma /P heizg ntτ E > 5*10 m -3 kev s Leistgsverstärkg Q = P fusion /P extern Q = 1 break-even Q = 50 Kraftwerk Q = Zündg Zündg: α-heizg > Leistgsverluste (Strahlg, Transport) R. Dux Energieversorgg
44 Erhöhter Einschluss durch Vergrößerg des Plasmas ASDEX Upgrade x 2 JET x 2 ITER ähnliche Form, wachsende Größe R. Dux Energieversorgg
45 Champion: Joint European Torus (JET), Culham/Oxford Video einer Plasmaentladg Source: JET R. Dux Energieversorgg
46 Champion: Joint European Torus (JET), Culham/Oxford Leistgsverstärkg = 0.6 (transient) Source: JET R. Dux Energieversorgg
47 Was wurde bis jetzt erreicht? Erreichte Kennzahlen: Temperatur T 4 Mio. C Dichte n 10 m -3 Energie Einschlusszeit τ E ~1 s, ist noch zu klein (etwa 4s benötigt) ITER: Wegen des größeren Volumens d des höheren τ E wird eine Leistgsverstärkg von Q 10 erwartet! ITER: P fus = 5 MW, großer Radius = 6.2 m, kleiner Radius = 0 m R. Dux Energieversorgg
48 Extrapolation der Einschlusszeit zu ITER 30 years AUG JET ITER Windkanal-Experimente erlauben Extrapolation zu ITER R. Dux Energieversorgg
49 ITER die Machbarkeit der Fusion Physikalische Ziele: Erzeuge Energie produzierendes ( brennendes ) Plasma bei dem die Fusionsreaktionen die dominante Heizquelle ist (Q 10). Entladgen mit hohem Anteil nicht-induktivem Stromtriebs (längere Entladgsdauer, Q > 5). Test des advanced tokamak (Q = nicht ausgeschlossen) Technische Ziele: Verfügbarkeit / Integration essentieller Technologien, z.b. Supraleitg d Kryotechnologie Komponenten mit extremer Wärme- d Strahlgsbelastg Robotertechnik zum Austausch von Komponenten Brennstoff Technologie (Tritiumkreislauf) Plasma Heizg d Stromtrieb Systeme R. Dux Energieversorgg
50 ITER die Machbarkeit der Fusion Physikalische Ziele: Erzeuge Energie produzierendes ( brennendes ) Plasma bei dem die Fusionsreaktionen die dominante Heizquelle ist (Q 10). Entladgen mit hohem Anteil nicht-induktivem Stromtriebs (längere Entladgsdauer, Q > 5). Test des advanced tokamak (Q = nicht ausgeschlossen) Technische Ziele: Verfügbarkeit / Integration essentieller Technologien, z.b. Supraleitg d Kryotechnologie Komponenten mit extremer Wärme- d Strahlgsbelastg Robotertechnik zum Austausch von Komponenten Brennstoff Technologie (Tritiumkreislauf) Plasma Heizg d Stromtrieb Systeme R. Dux Energieversorgg
51 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk Kernfusion eine erschöpfliche Energiequelle Magnetischer Einschluss von Plasmen Plasmaheizg ITER der nächste Schritt zum Fusionskraftwerk Wandmaterialien Sicherheitsaspekte Zusammenfassg R. Dux Energieversorgg
52 Materialfragen extreme Materialbelastg durch Plasma Für Fusionsreaktor wesentlich: geringe Erosion lange Operationszeit gute thermo-mechanische Eigenschaften geringe Degradation bei starkem Neutronenbeschuss Material-Abtragg D Auftreff-Energie R. Dux Energieversorgg
53 Materialfragen Wolfram als Material für erste Wand Für Fusionsreaktor wesentlich: geringe Erosion lange Operationszeit gute thermo-mechanische Eigenschaften geringe Degradation bei starkem Neutronenbeschuss Wolfram geringste Erosion kann hohe Energieabfuhr durch Röntgen- d VUV- Strahlg im Plasmazentrum verursachen Material-Abtragg D Auftreff-Energie R. Dux Energieversorgg
54 Materialfragen Wolfram als Material für erste Wand Für Fusionsreaktor wesentlich: Mit Wolfram beschichtete Graphitkacheln in ASDEX Upgrade geringe Erosion lange Operationszeit gute thermo-mechanische Eigenschaften geringe Degradation bei starkem Neutronenbeschuss Wolfram geringste Erosion kann hohe Energieabfuhr durch Röntgen- d VUV- Strahlg verursachen R. Dux Energieversorgg
55 ASDEX Upgrade Erfolgreicher Betrieb mit Wolfram ev an der Wand (230 C) 50 ev im Zentrum (60Mio C) JET: Erste Experimente mit Wolfram als Wandmaterial begonnen R. Dux Energieversorgg
56 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk Kernfusion eine erschöpfliche Energiequelle Magnetischer Einschluss von Plasmen Plasmaheizg ITER der nächste Schritt zum Fusionskraftwerk Wandmaterialien Sicherheitsaspekte Zusammenfassg R. Dux Energieversorgg
57 Sicherheit keine radioaktiven Rohstoffe (D,Li) kleine Brennstoffmenge im Plasma ( 1g) (Gesamtinventar im Reaktor ca. 1 kg) keine Kettenreaktion (Plasma bricht bei erreichen von Operationsgrenzen selbständig ab) Leistgsdichte im Reaktorgefäß vergleichbar mit der konventioneller Kraftwerke R. Dux Energieversorgg
58 Sicherheit Ausfall der Kühlg mäßige Nachwärme bei relativ großen Oberflächen Plasmagefäß wird nicht zerstört T(ºC) Nachwärme bei Ausfall der Kühlg Erste Wand Vakuum Gefäß TF Magnete Kryostat -3 0,01 0,10 1, 10, 1, Tage Quelle: Safety and Environmental Assessment of Fusion Power ( SEAFP 1995) R. Dux Energieversorgg
59 Sicherheit - Radiotoxizität des aktivierten Fusionsreaktors Radioaktiver Abfall Kontamination durch Tritium (t 1/2 =,3 Jahre) Aktivierg der Gefäßmaterialien durch hohen Fluss von hochenergetischen Neutronen Hauptaufgabe für Materialforschg Minimierg der Aktivierg durch Wahl geeigneter Stähle Recycling ist möglich nach vorübergehender Lagerg von 1 Jahren. keine langlebiger radioaktiver Müll (keine Endlagerg) Recycling möglich Source: Safety and Environmental Impact of Fusion (SEIF 01) R. Dux Energieversorgg
60 Der Weg zur Stromerzeugg durch Fusion Plasma Physik Tokamak Physik Konzeptverbesserg, Stellarator Strom Produktion kommerzieller Fusionsreaktor Anlagen ITER Bau Betrieb DEMO 14 MeV Neutronen Quelle Technologie ITER-relevante Technologie Fusionsreaktor Technologie DEMO-relevant R. Dux Energieversorgg
61 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk Kernfusion eine erschöpfliche Energiequelle Magnetischer Einschluss von Plasmen Plasmaheizg ITER der nächste Schritt zum Fusionskraftwerk Wandmaterialien Sicherheitsaspekte Zusammenfassg R. Dux Energieversorgg
62 Fktionsweise eines Fusionsreaktors α-teilchen- Heizg hält Fusionsreaktion aufrecht n erbrüten T im Li-Blanket Primär e 'Brenn - stoffe' Vakuumkammer α d n heizen Kühlmedium Stromerzeugg konventionell über Wärmetauscher d Turbine/Generator Wärmetauscher R. Dux Energieversorgg
63 Das Fusionskraftwerk d seine Eigenschaften intrinsische Energien/Kräfte thermische Energie magnetisches Feld chemisches Inventar 1 Jahre nach Stilllegg kann Reaktormaterial wieder verwendet werden kein Endlagerabfall Primäre Energieträger (D d Li) ausreichend verfügbar!!! gefährlich für Sicherheitshülle große Investitionskosten für komplizierte Technologie vernachlässigbare Brennstoffkosten geschlossener Tritiumkreislauf kein radioaktiver Brennstoff R. Dux Energieversorgg
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