Fusion- eine neue Primärenergiequelle der Zukunft

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1 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fusion- eine neue Primärenergiequelle der Zukunft IHK im Dialog Workshop 5: Forschung und Entwicklung Jülich, Detlev Reiter Entwurf: Impulsreferat, , IHK im Dialog, Workshop 5, FZ- Jülich Wo steht die Fusionsforschung heute? Mit Baubeginn des ITER (2007) ist die Fusionsforschung in eine neue Ära eingetreten. Proof of Principle ist aber bereits 1997 gelungen (JET, 20 MW Fusionsleistung) Ein wesentliches noch ungelöstes Problem: Die Verfügbarkeit des Reaktors erhöhen

2 Die Energiequelle aller Sterne im Universum ist: Kernfusion Die visionäre Perspektive der Fusionsforschung: Ein Miniaturstern (100 Mill. Grad) in einem Gefäss 1 Kernenergie wird derzeit aus Spaltung von schweren Atomkernen (Uran) gewonnen. Die Sterne und damit auch unsere Sonne werden auch durch Kernenergie gespeist, aber auf eine alternative Art: Dort werden leichte Atomkerne verschmolzen zu schwereren Elementen (Wasserstoff fusioniert in unserer Sonne zu Helium). Eigentlich ist die Sonne selbst in ihrem Zentrum mit ca. 15 Mill. Grad noch viel zu kalt für diesen Kernprozess. Lediglich wegen der Größe der Sonne und der hohen Dichte des Brennstoffes kommt es dort in ausreichender Zahl zu Fusionsprozessen. Ziel der Fusionsforschung ist es, diese alternative Kernenergie auch auf der Erde in Reaktoren als Primärenergiequelle nutzbar zu machen. Dazu muss der Brennstoff allerdings auf Mill. Grad erhitzt werden. Seit ca. 50 Jahren werden immer bessere Anlagen gebaut, in denen dieses Gas ( Plasma ) mit starken Magnetfeldern zusammengehalten und so von den Bauelementen der Brennkammer ferngehalten werden kann.

3 Die D-T Fusionsreaktion Tritium Halbwertszeit 12 a freigesetzte Bindungsenergie 17.6 MeV oder J natürliche Häufigkeit des Isotops Deuterium D : H = 1: Anders als in der Sonne, in der Wasserstoff (Protonen) verschmelzen, ist die angestrebte Fusionsreaktion in einem irdischen thermonuklearen Feuer die Verschmelzung von schwerem und überschweren Wasserstoff (Deuterium und Tritium), da dieser Prozess noch am vergleichsweise einfachsten in Gang zu setzen ist. Aber auch das ist nicht einfach. Vor allem muss diese Anlage sehr groß sein, damit der Abstand des Plasmas von der Wand groß genug bleibt. So können die Wärmeverluste klein genug werden. Das bei der Fusion frei werdende Neutron trägt 14.1 MeV der Fusionsenergie und bietet einen natürlichen Kanal für die Wärmeauskopplung aus der Flamme. Das Neutron kann als elektrisch neutrales Teilchen ungehindert das Magnetfeld verlassen und außerhalb der Flamme seine Energie an ein Material abgeben. Der Rest ist dann bekannt.

4 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 4 Das Tritium kann im Reaktor selbst durch die Fusionsneutronen aus Lithium erbrütet werden. Von außen müssen also nur Deuterium und Lithium zum Reaktor transportiert werden. Lithium ist in natürlichem Gestein vorhanden, Deuterium im Wasser. Die Rohstoffe der Fusion sind also auf der Erde praktisch unbegrenzt, gleichmäßig verteilt und praktisch kostenlos verfügbar.

5 Rohstoffe der Kernfusion für den Jahresverbrauch einer Familie (Elektrizität) 75 mg Deuterium 225 mg Lithium Die zu Rohstoffe finden in der Fusion sind preiswert und 2 Litern Wasser und 250 g Gestein weltweit gleichmäßig verteilt Energieinhalt: Mio. Joule entsprechend Litern Öl 5

6 most successful: JET High temperature plasma up to 400 Mill. degrees Joint European Torus Break-Even reached, Q=1 16 MW fusion power 6 Die europäische Fusionsanlage JET in Culham (bei Oxford) ist der derzeit weltweit größte Tokamak, eine toroidale magnetische Kammer für ein bis zu 400 Mill. Grad heißes Plasma. In dieser Anlage werden bis zu 20 MW Fusionsleistung erzielt, etwa gleich der investierten Heizleistung. Für eine positive Leistungsbilanz oder sogar selbstständiges thermonukleares Brennen müsste die Maschine noch deutlich größer sein. Mit dem Bau einer solchen Maschine (ITER) wurde in weltweiter Gemeinschaftsarbeit im vergangenen Jahr begonnen. Betriebsbeginn: ca. 2018

7 Roadmap zum Fusionskraftwerk Jülich steuert Entscheidendes bei Plasmaphysik, Modellierung und Diagnostik erster elektrischer Strom aus Fusion JET Wendelstein 7-X / Stellaratorlinie ITER 14-MeV-Neutronenquelle DEMO Werkstoffe und Technologie In Jülich wird sowohl eine eigene Fusionsanlage (der Tokamak TEXTOR) betrieben, als auch an der Entwicklung von physikalischen Grundlagen, Werkstoffen und Technologie für künftige Experimentieranlagen und Reaktoren geforscht. Parallel zur Linie der Anlagen TEXTOR - JET - ITER wird in Deutschland auch ein weiteres Konzept des magnetischen Einschlusses in torusförmigen Kammern verfolgt, die sog. Stellaratoren (W7X, Greifswald, Betriebsbeginn 2014). Von diesem Konzept erhofft man sich vor allem einen weniger komplizierten Zugang zum Dauerbetrieb als bei Tokamak.

8 ITER der Weg Erste Demonstration eines brennenden Fusionsplasmas 500 MW Fusionsleistung 8 Minuten Brenndauer Ziel: Entwicklung eines kontinuierlich arbeitenden Fusionskraftwerks (DEMO) gemeinschaftliches Projekt von: Europa, Japan, Russland, USA, Südkorea, China, Indien Bau in Cadarache (Südfrankreich), seit Erste thermonuklear kontrolliert brennende Flamme ca Nach langjähriger Planungsphase ist 2006 endlich die politische Weichenstellung für den Baubeginn von ITER erfolgt. Seither wird in Cadarache (Frankreich) der Aufbau vorangetrieben. Bauzeit: ca. 10 Jahre Heizleistung: ca. 50 MW Fusionsleistung: ca. 500 MW Damit wird erstmals ein Feuer gezündet, das sich selbst signifikant durch thermonukleare Reaktionen unterhält. Im selbstständig brennenden Zustand, der in ITER wohl noch nicht erreicht wird, könnte die Plasmaheizung dann ganz abgeschaltet werden. ITER ist eine nukleare Anlage (bis zu ca. 500 g Tritium), allerdings gibt es bei Fusionsreaktionen prinzipiell keine Kettenreaktionen: weder auf der Sonne noch in ITER noch in sonst einem künftigen Fusionskraftwerk. Diese Fusionsanlagen funktionieren stattdessen wie Öfen, denen man die Brennstoffe Deuterium und Tritium per Gaseinlass je nach Bedarf zuführt, und die Asche (Helium) abpumpt.

9 Proof of Principle des magnetischen Einschlusses: : 9JET Die erreichte Fusionsleistung in Tokamakanlagen hat sich seit 40 Jahren ca. alle 1.5 Jahre verdoppelt (vergleichbar nur mit den Fortschritten bei der Mikrochip- Entwicklung). Der Nachweis, dass das Konzept tatsächlich funktioniert, ist vor ca. 10 Jahren gelungen. Allerdings steht das Produkt (das Kraftwerk selbst) hier erst ganz am Ende dieser Entwicklung. Und die auf dem Weg dorthin benötigten Anlagen werden immer größer.

10 Auf dem Weg zum Fusionskraftwerk prinzipiell gelöst: Erzeugung des Fusionsplasmas Heizung des Plasmas auf >100 Mill Grad Hohe Plasmadichten (10 20 m 3 ) Energieeinschluss noch zu lösen: effizienter Dauerbetrieb Plasma-Wand-Wechselwirkung Können wir das Feuer hüten? Strukturmaterialien Stromtrieb, Effizienz Road Map: 1 GW Strom ins Netz ab 2035 weiterhin wird an alternativen Einschlusskonzepten geforscht (z.b. Stellarator, Kompakttokamak) Häufig gestellte Fragen Kann Fusion auch in viel kleineren Anlagen realisiert werden (Kalte Fusion)? Eine positive Energiebilanz ist nur unter thermonuklearen Bedingungen möglich! Warum ist der Fortschritt in der Fusion angesichts jahrzehntelanger Forschung so wenig sichtbar? Ein Kraftwerksbau ist erst am Ende der Entwicklung sinnvoll! Wird Elektrizität aus Fusion teuer sein? Bei hoher Verfügbarkeit Stromkosten wie in heutigen Großkraftwerken! Gibt es überhaupt Wände, die ein 100 Millionen Grad heißes Plasma aushalten? Ja, denn es kommt auf den Wärmefluß an und nicht auf die Temperatur! Wann liefert die Kernfusion Energie? Prinzipiell seit 1997 möglich (JET Experiment) Wann trägt die Fusion endlich zur Energieversorgung bei? Ziel: 1 GW Grundlaststrom ins Netz ab 2035! Ist ein Fusionskraftwerk wirklich sicher und umweltfreundlich? Kein CO 2, inhärent sicher, kein langlebiger radioaktiver Abfall! 11