Fusion von Wasserstoff

Transkript

1 Fusion von Wasserstoff Die neue Energie? Thomas Klinger Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Greifswald

2 Frage 1 Die Energiefrage ist absolut fundamental. Wohin geht die Entwicklung in diesem Jahrhundert? 2/43

3 mittlere Leistungsaufnahme pro Kopf / kw Energie und Wohlstand 10 D. Roland-Holst, UC Berkeley 5 0 Bruttosozialprodukt pro Kopf / $ Ein ambitionierter Zielwert: 3KW pro Kopf bei 30-40T$ BSP pro Kopf 3/43

4 Ausblick Weltenergiebedarf Positive Utopie: Gleiche Perspektiven für alle Regionen der Welt 2100 Anstieg der Weltbevölkerung auf 10Mrd Entwicklungsländer etablieren Wohlstand minimierte Leistungsaufnahme pro Kopf 3KW ergibt Primärenergiebedarf mit GW Leistung Annahme von 40% Anteil elektrische Energie entspricht Versechsfachung der jetzt installierten Leistung Versorgungsoptionen? 4/43

5 Frage 2 Was ist die eigentliche Energiequelle des Kosmos? 5/43

6 Grundlagen Nuklearphysik Kernspaltung Kernfusion schwere Kerne spalten leichte Kerne verschmelzen gleiches Grundprinzip: Materie = Bindungsenergie der Kerne Bewegung Wärme 6/43

7 Die Sonne - ein kosmisches Kraftwerk Energieerzeugung der Sonne durch Fusion leichter Kerne: p-p-zyklus p + p D + e + + n D + p 3 He + g 3 He + 3 He 4 He + 2 p Energie Temperatur Aggregatzustand = Plasma hohe Temperatur 15 MioK enormer Druck ~ bar Gleichgewicht ~ Schwerkraft 7/43

8 Fusion von Deuterium und Tritium Tritium Neutron Fusion Deuterium Helium 8/43

9 Plasma ein heißes Gas Nordlicht Entladungen Ionen + Elektronen - Sterne Blitz 9/43

10 Fusion im Plasma D T n He 10/43

11 Frage 3 Wie erreicht man Fusion in einem Plasma auf der Erde? Wir haben schon ein funktionierendes Fusionskraftwerk: Die Sonne! Warum dauert die Entwicklung so lange? Fusion ist die Energie der Zukunft und sie wird es immer bleiben! Die Konstante der Fusion: Seit 50 Jahren wird gesagt es dauert noch 50 Jahre! 11/43

12 Der Einschluss des Plasmas Gravitation Gefäß Magnetfeld Plasmadruck Plasmadruck Erde 10 Millionen C bar 1g 100 Millionen C 2 bar 12/43

13 Konzept I: Tokamak Tokamak (1951 Sacharov und Tamm) тороидальная камера в магнитных катушках (toroidalnaya kamera magnitnaya katishka ) toroidale Kammer in Magnetspulen 13/43

14 Konzept II: Stellarator Stellarator (1951 Spitzer) Stella = Der Stern der Sternenbringer 14/43

15 Experimente auf der Welt Tokamak ASDEX Upgrade am MPI für Plasmaphysik Garching 15/36

16 Stellarator Wendelstein 7-X am MPI für Plasmaphysik Greifswald 16/36

17 Stand der Fusionsforschung I. Temperaturen 400 Millionen Grad erreicht II. Teilchendichten erforderliche Werte erreicht III. Wärmeisolation es fehlt noch ein Faktor 4-6 IV. Selbstheizung es fehlt noch ein Faktor 100 V. Dauerbetrieb es fehlt noch an Erfahrung VI. Materialien Verbesserungen notwendig ad III und IV : größere Experimentieranlagen ad V : supraleitende Magnete ad VI : Materialtestanlage Die modernen Experimentieranlagen weltweit gehen in einem wohl koordinierten Forschungsprogramm diesen Punkten nach. 17/43

18 Der Tokamak ITER Ziel des ITER: Erzeugung 500MW Leistung 10 mehr als Verbrauch 18/43

19 Der Stellarator Wendelstein 7-X torusförmige magnetische Flasche mit optimierter Geometrie Ein optimales Magnetfeldes wird durch insgesamt 50 komplex geformte supraleitende Spulen erzeugt. Supraleitung bedeutet verlustfreien Stromfluss - die Voraussetzung für Fusion im Dauerbetrieb. 19/43

20 Das Projekt Wendelstein 7-X Höhe 4.5 m Durchmesser 16 m Plasmavolumen 30m 3 Gesamtmasse 725 t kalte Masse 425 t Investitionen 400 Mio Vollkosten 1038 Mio seit Aug Standort Greifswald Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Wissenschaftliche und technische Zielsetzung Nachweis der Kraftwerkstauglichkeit und Dauerstrichfähigkeit des Stellarators z.zt. 550 Mitarbeiter vor Ort Fertigstellung Mitte /43

21 Spulenherstellung in Zeitz 21/36

22 Ein Magnetmodul des Wendelstein 7-X 22/36

23 Fertig eingesetztes Magnetmodul 23/36

24 Magnetmodulmontage 24/36

25 Der Torus 25/36

26 Das Plasmagefäß 26/36

27 Gefäßeinbauten 27/36

28 Frage 4 Wie würde ein Fusionskraftwerk dann aussehen? 28/43

29 Der Brennstoff: D-T-Fusion t Kohle entspricht 800 g D-T also 1g D-T g Kohle Deuterium ist in Wasser zu 0.015% enthalten. Tritium wird in-situ aus Lithium generiert: Li 7 + n He 4 + T 3 + n bzw. Li 6 + n He 4 + T 3 1/2 Badewanne Wasser & Li in einem Laptop-Akku kWh = 30 Jahre Energie für eine durchschnittlichen EU Bürger 29/36

30 Das Konzept Fusionskraftwerk schnelle Helium-Kerne heizen das Plasma schnelle Neutronen heizen eine gekühlte Wandstruktur schnelle Neutronen erzeugen Tritium in situ 30/43

31 Designstudie Stellaratorkraftwerk Ausblick: Fusionskraftwerk 3GW th thermische Leistung 44m Durchmesser t Gesamtgewicht Warum so groß? Suncus Etruscus - Etruskerspitzmaus 31/36

32 Frage 5 Wie ist es um die Sicherheit bestellt? 32/43

33 Kernspaltung vs Kernfusion zwei verschiedene nukleare Prinzipien Kernspaltung Kernfusion Kettenreaktion Brennstoff 235 U Brennstoff für 2a ~ 300t Spaltprodukte 134 Cs 127 I Sicherheitsprobleme Brennprozeß Wasserstoff 2 D 3 T Brennstoff für 1min ~ 1g Asche 4 He inhärente Sicherheit 33/43

34 Kernspaltung vs Kernfusion zwei verschiedene nukleare Prinzipien Kernspaltung Kernfusion Kettenreaktion Brennstoff 235 U Brennstoff für 2a ~ 300t Spaltprodukte 134 Cs 127 I Sicherheitsprobleme begrenzte Vorräte Brennprozeß Wasserstoff 2 D 3 T Brennstoff für 1min ~ 1g Asche 4 He inhärente Sicherheit de facto unbegrenzt verfügbar 34/43

35 Kernspaltung vs Kernfusion zwei verschiedene nukleare Prinzipien Kernspaltung Kernfusion Kettenreaktion Brennstoff 235 U Brennstoff für 2a ~ 300t Spaltprodukte 134 Cs 127 I Sicherheitsprobleme begrenzte Vorräte Endlagerproblematik Brennprozeß Wasserstoff 2 D 3 T Brennstoff für 1min ~ 1g Asche 4 He inhärente Sicherheit de facto unbegrenzt verfügbar Zwischenlagerung/Recycling 35/43

36 Zusammenfassung Versechsfachung des Strombedarfs bis 2100 ist wahrscheinlich. Die globale Energieversorgung erfordert alle Optionen. Fusion ist eine höchst attraktive Energieoption für >2050. Brennstoff ist für jeden höchst verfügbar und unerschöpflich. CO 2 -neutral, kein Endlagerproblem, geringe Proliferationsgefahr Fusionskraftwerke sind inhärent sicher ~ Brennprozess magnetische Fusion ist am weitesten fortgeschritten. komplizierte und kapitalintensive Technologie weltweit koordinierte Forschungslandschaft - EU (noch) führend neue Anlagen in Asien, ITER, Wendelstein 7-X, Wendelstein 7-X nationales Großprojekt Start 2014

37 Curie/Watt (thermisch) Radioaktivität 10-2 Spaltung Leichtwasserreaktor Fusion Vanadiumlegierungen Fusion ferritischerstahl Kohleniveau 10-8 Fusion Siliziumkarbidkomposite ,000 10,000 R. Goldston, Princeton U Zeit (Jahre) 37/43