Physik VI Plasmaphysik

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1 Physik VI Plasmaphysik

2 Physik VI Plasmaphysik Inhaltsübersicht 1. Charakteristik des Plasmazustandes 2. Experimentelle Grundlagen der Plasmaphysik 3. Thermodynamische Gleichgewichtsplasmen 4. Plasmen im Magnetfeld 5. Wellen im Plasma 6. Plasmakinetik 7. Plasmastrahlung 8. Thermonukleare Plasmen

3 1 8. Thermonukleare Plasmen die Entwicklung in der Plasmaphysik wurde im wesentlichen durch die Erforschung der kontrollierten Kernfusion vorangetrieben um aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie zu gewinnen, muss ein Plasma bei ausreichender Temperatur lange genug eingeschlossen bleiben erst dann findet die Energiefreisetzung bei Fusionsreaktionen mit einer Rate statt, die das Aufrechterhalten des Plasmas gewährleistet dieses gezündete thermonukleare Plasma ist bislang noch nicht experimentell realisiert

4 Kernfusion pp-zyklus p + p D + e + + n D + p 3 He + g 3 He + 3 He 4 He + 2 p In jeder Sekunde Umwandlung von: 600 Mio. t Wasserstoff in 596 Mio. t Helium E = m c 2 entspricht Energieproduktion von: GW Sonne, Sterne Gravitation überwindet Abstoßungskräfte

5 Fusionsreaktoren Gravitation (Sonne) Magnetischer Einschluss Trägheitsfusion

6 Fusionsreaktionen der Energiegewinn bei der Kernfusion basiert auf der Fusion leichter Atomkerne hierbei wird eine große Menge an Energie freigesetzt, da sich die Bindungsenergie pro Nukleon im Fusionsprodukt erhöht (Potentialtopf tiefer) damit Fusion stattfindet, müssen die Atomkerne sich bei einem Stoß nahe genug kommen, um durch den Coulomb-Wall tunneln zu können und in den Bereich der starken Wechselwirkung zu gelangen Fusionsreaktionen mit großem Wirkungsquerschnitt sind:

7 Kernfusion große Abstände r > r n : Abstoßung durch Coulomb-Kraft Potentialwall ~ 100 kev + + Bindungsenergie Potentialwall: schwierig zu überwinden endliche Wahrscheinlichkeit für Durchtunneln der Barriere Wahrscheinlichkeit für leichte Kerne mit hohem v rel maximal + + kleine Abstände r < r n ~ fm : Anziehung durch Kernkräfte starke Wechselwirkung ~ MeV

8 Kernenergie Chemische Bindungen: ~ ev (Atome, Moleküle) Kernbindungsenergien: ~ MeV Energiefreisetzung prinzipiell möglich durch: Fusion von leichten Kernen oder Spaltung schwerer Kerne Vorteile der Fusion: Ressourcen Sicherheit

9 Kernfusion Sonne Energieerzeugung durch Kernprozesse Thermonukleare Fusionen sind Reaktionen, bei denen leichtere Kerne zu einem schweren Kern verschmelzen und sich durch diesen Prozess in einen energetisch günstigeren Zustand begeben, d.h. Energie an die Umgebung abgeben. Kernfusionsprozesse im Sterninneren werden durch kinetische Energie der ungeordneten thermischen Bewegung der Teilchen eingeleitet niedrige, aber hinreichende Fusionsrate wird primär durch Geschwindigkeitsverteilung und quantenmechanischen Tunneleffekt bestimmt dominierende Mechanismen sind: pp Reaktion CNO-Zyklus 3 -Prozess

10 Kernfusion Sonne

11 Kernfusion Sonne

12 Kernfusion Sonne pp-reaktion dominiert in der Sonne (BETHE, CHRITCHFIELD 1938) läuft im Bereich T K ab (Sonne!) pp- Reaktion: 1 H + 1 H 2 D + e + + n MeV ( a) daran anschließend sind am häufigsten 2 D + 1 H 3 He + g MeV (6s) 3 He + 3 He 4 He H MeV (10 6 a) Energiebilanz pro He-Kern ( MeV) + ( MeV) MeV 0.51 MeV = 26.2 MeV = J

13 Kernfusion geringer Wirkungsquerschnitt des pp-zyklus d.h.: Reaktion ist sehr unwahrscheinlich sehr langsame Reaktion lange Lebensdauer der Sterne auf Erde nicht realisierbar wahrscheinlichere Reaktion Deuterium-Tritium-Plasma (DT) Reaktionsbedingungen: Temperatur: T ~ 100 Mio K ~10 kev Dichte: n ~ m -3 Energieeinschlußzeit: ~ 5 10 s heiße Plasmen

14 Zündkriterium Rate der Fusionsreaktionen ist gegeben als bei vollständig ionisierten Plasmen sind die Strahlungsverluste im wesentlichen Bremsstrahlung der Elektronen, die im Coulomb-Feld der Ionen abgelenkt werden die Linienstrahlung spielt eine untergeordnete Rolle allerdings können Verunreinigungen, die durch Wandprozesse in das Plasma getragen werden, die Leistungsbilanz stark beeinflussen

15 4 für die Leistungsbilanz ist schließlich noch die Isolation des Plasmas wesentlich dies wird in einem einfachsten Ansatz mit einer Energieeinschlusszeit ausgedrückt Lawson-Kriterium um das thermonukleare Zünden des Plasmas zu erreichen, wird im wesentlichen an einer Verbesserung des Einschlusses gearbeitet dementsprechend gibt es unterschiedliche Konzepte, ein heißes Fusionsplasma zu erzeugen es lassen sich zwei Klassen unterscheiden: die magnetische Fusion (Tokamak, Stellarator) und die Trägheitsfusion, bei der ein Brennstoffgemisch aus Deuterium und Tritium mittels Laserstrahlung zur Implosion gebracht wird

16 Plasmaeinschluss die Halterung des thermonuklearen Plasmas kann wegen seiner hohen Temperatur nicht mehr durch substantielle Wände erfolgen jedoch eröffnet die Anwendung magnetischer Felder eine Möglichkeit zur Einschließung der Plasmen mittels des magnetischen Druckes (magnetische Halterung) ein Zusammenhalt des Plasmas infolge der Gravitationskräfte, wie er z.b. auf der Sonne auftritt, ist unter irdischen Maßstäben nicht realisierbar

17 Zylinderförmiges homogenes Magnetfeld: Magnetischer Einschluss Einschluss entlang der Achse Problem: Verschluss der Enden? Schließen zum Torus die Lösung?

18 Magnetischer Einschluss Rein toroidales Magnetfeld führt zu radialer Variation des Feldes B ~ 1/R Zentrifugalkraft und Gradienten-Drift Separation von Elektronen und Ionen (Ladungstrennung) elektrisches Feld E und Polarisationsdrift ExB-Drift Teilchenverluste

19 Magnetischer Einschluss Verdrillung des Feldes sorgt für Kompensation der Drift! (Mittelung über Gebiete mit schwachem und starkem Feld) Toroidale Anordnung mit magnetischen Flächen Zwei notwendige Feldkomponenten: toroidal ( B t ) und poloidal ( B p ) Zwei mögliche Konzepte: Tokamak und Stellarator

20 Tokamak Arzimovich, Sacharov, Tamm (Moskau, 50er Jahre) Poloidalfeld B p durch Induktion eines Plasmastroms (Transformatorprinzip) + intrinsische Heizung + fortgeschrittenstes Konzept - nicht stationär (Stromtrieb) - Stromabriss möglich (Disruption)

21 Tokamak R = 1.65 m a = 0.5 m B t 3.5 T I p 1.4 MA P H 28 MW Betriebsbeginn: 1991 ASDEX Upgrade, IPP Garching

22 Stellarator L. Spitzer jr. (50er Jahre, Princeton) poloidales Feld durch externe helikale Spulen + nur externe Ströme + stationär betreibbar - komplizierte Geometrie Magnetfeld durch externes Spulensystem erzeugt!

23 Stellarator Magnetfeld durch externes Spulensystem erzeugt! Wendelstein 7-X, IPP Greifswald

24 Kernfusion Stellarator Wendelstein

25 Stellarator Spulengehäuse Embedding 270 Wickelpaket Supraleiter 330 Querschnitt nichtplanare Spule Supraleitende nicht-planare Spulen 5 x 10 nichtplanare Spulen 5 x 4 planare Spulen

26 Plasmaheizung für die Erzeugung bzw. Heizung thermonuklearer Plasma kommen folgende Methoden in Frage: - Elektrischer Stromdurchgang (Stromtrieb, Ohmsche Heizung) - Magnetische Kompression (Pinch) - Injektion energiereicher Wellen- oder Teilchenstrahlen (Wellenheizung, Neutralteilcheninjektion)

27 - Ohmsche Heizung nur in Tokamaks von Bedeutung - Neutralteilcheninjektion (NBI) schnelle Teilchen geben Energie ab Plasmaheizung - Zyklotronresonanzheizung (CRH) Beschleunigung der Gyrationsbewegung Einstrahlung von Mikrowellen ins Plasma: Elektronen (ECRH): GHz (Radar) Ionen (ICRH): MHz (UKW) Gyrotronentwicklung im FZK

28 Energieträger Brennstoff-Bedarf eines 1GW-Kraftwerks im Jahr: Uran: 8 LKW (150 Tonnen) Fusionsbrennstoff 0,6 Tonnen Öl: 7 Supertanker ( Barrel) Kohle: Zug von 400 km Länge ( Tonnen) Strombedarf einer Familie im Jahr gedeckt durch 0.08 g D und 0.2 g Li Ein Kohlekraftwerk erzeugt pro Stunde 2000 t CO2. Ein Fusionskraftwerk erzeugt pro Stunde einige 100g harmloses Helium.

29 Fusionskraftwerk Brennstoff: D 1:2000 in Meerwasser Li im Meerwasser T wird in der Anlage erbrütet