Laserfusion Georg Hofmann Uni Osnabrück 05. Juni 2007 Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 1 / 43
1 Einführung Fusion 2 Laserfusion 3 Ausblick 4 Zusammenfassung Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 2 / 43
Einführung Fusion Eine mögliche Reaktion Betrachtung der D-T Reaktion da Forschungsschwerpunkt Deuterium (D) + Tritium (T) Helium (He) + Neutron (n) + Energie (17.6 MeV) http://iter.rma.ac.be/en/img/fusionreaction.jpg Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 3 / 43
Beispiele für Fusion - Sonne im Kern Wasserstofusion zusammenhalt durch Gravitaion es wird viel Energie frei mehr unter: http: //sunearthday.nasa. gov/2007/locations/ ttt_solarenergy.php http://sunearthday.nasa.gov/2007/images/gal_004.jpg Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 4 / 43
Beispiele für Fusion - Wasserstobombe verschmelzen von D + T He + n + Energie groÿe Menge an frei gesetzer Energie mehr unter: http://www. globalsecurity.org/ wmd/intro/h-bomb.htm Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 5 / 43
Energiegewinnung - Kraftwerk Kernfusion produziert Wärme über Wärmeaustausch Dampferzeugung Stromerzeugung in Turbine http://ec.europa.eu/research/energy/fu/fu_ rt/fu_rt_pp/images/plasmadt_1541.jpg Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 6 / 43
Geringere Radioaktivität Radioaktivität wird schnell abgebaut Entstehung von Radioaktivenelemente ist kontrollierter Material kann wieder verwendet werden http://iter.rma.ac.be/en/img/ radiotoxinhalation.jpg Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 7 / 43
1 Einführung Fusion 2 Laserfusion 3 Ausblick 4 Zusammenfassung Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 8 / 43
Energiegewinn aus Massendefekt Massendefekt m = m + D + m+ T (m+ He + m n) = 3.1 10 29 kg ˆ=17.6 MeV Impulserhaltung liefert Energieaufteilung m He /m n = E n /E He = 4 D + T He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) http://iter.rma.ac.be/en/img/e_mc2_dt.jpg Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 9 / 43
steigt bis Z = 26, Eisen nur für Z < 26 ist Fusion energetisch sinnvoll http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/umwelt_technik/11fusion/binden002.gif Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 10 / 43
Voraussetzungen für das Auftreten von Fusion Coulombkraft muss überwunden werden E kin groÿ Temp hoch Wahrscheinlichkeit für einen Zusammenstoÿ muss hoch sein Plasma muss lang genug fusionsfähig bleiben Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 11 / 43
Coulomb- und Kernpotential r 0 Kernpot. Coulombpot. Summe Kerne müssen das Coulompotential überwinden (gleiche Ladung) erst sehr nah am Kern wirkt das Kernpotential (attraktiv) Teilchen brauchen eine Mindestenergie U 0 (0.29 MeV ˆ 10 9 K für Protonen) Energie aus thermischer Bewegung des Plasmas ( 3 2 NkT ) Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 12 / 43
Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung T 10 T 50 T 250 T 1250 v bei gegebener Temperatur T sind Geschwindigkeiten der Teilchen verteilt je höher die Temp. desto breiter die Verteilung Teilchen können durchaus Energie haben, die weit vom Mittelwert entfernt sind doppelte Geschw. vierfache Energie! Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 13 / 43
Wirkungsquerschnitt der Fusionsreaktion Denition (Wirkungsquerschnitt σ) Der Wirkungsquerschnitt σ ist ein Maÿ für die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Reaktion bei einem einzelnen Teilchenexperiment auftritt. http://www.kworkquark.net/lexikon/wirkungsquerschnitt/wissensdurst3.html enstpricht einer Kreisäche, die wenn sie getroen wird, zu dem gewünschten Ereignis führt für hohe Ausbeute sollte σ möglichst groÿ sein Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 14 / 43
http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/umwelt_technik/11fusion/wirk_quer_fus2.gif Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 15 / 43
Dichte der Teilchen im Plasma Denition (Dichte) Anzahl Teilchen pro Volumen n = a/v wir betrachten Dichte der Teilchen im Plasma hohe Dichten erhöhen den Wirkungsquerschnitt führen zu bzw. erhöhen Anteil der Fusionsreaktionen Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 16 / 43
Energieeinschlusszeit τ des Plasmas Denition (Energieeinschlusszeit τ) τ = W P loss = 3 n k B T P loss Charakteristische Zeit τ in der das Plasma seine gesamte kinetische Energie verloren hat Die Einschlusszeit τ gibt an, wie lange das Plasma einen fusionsfähigen Zustand hat je gröÿer τ, desto mehr Fusionen können auftreten Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 17 / 43
Wärmebilanz im (Fusions)Plasma Pa - Energiegewinn durch Selbstheizung α-teilchen der Fusion Pb - Energieverlust des Plasmas durch Bremsstrahlung Nur wenn Pa > Pb kann Energie aus der Fusion gewonnen werden Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 18 / 43
Reaktionen im Fusionsreaktor Zur Wärmeerzeugung Zur T Erzeugung 2 D + 3 T 4 He(3.5 MeV) + 1 1 1 2 0n(14.1 MeV) (1) { 3 2 D + 2 D He + 1 2 0n + 3.27 MeV 1 1 3 T + 1H + 4.03 MeV (2) 1 1 1 0 3 4 He(2.1 MeV) + 3 2 1T(2.7 MeV) (3) 1 0 3 4 He + 3 T + 1 2 1 0n 2.5 MeV (4) 1 0 4 2 4 He + 2 1 n 2 0 (5) Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 19 / 43
Lawson Herleitung - 1/3 Beispiel Für ein Plasma mit Teilchenzahldichte n, Temperatur T, Kernradius r N = σν n D n T N = 1/4 σν n 2 Reaktionsrate N gleiche Dichte für D und T... n D = n T = n/2 P α = N E α P α = 1/4 σν n 2 E α α-teilchen Heizleistung P α proportional zur Reaktionsrate und Energie des entstehenden α-teilchen Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 20 / 43
Lawson Herleitung - 2/3 P B = W /τ P B = 3nk B T /τ Verlustleistung P B aus Denition τ = W /P B mit W = 3nk B T als gesamt Plasmaenergie N P α P B Fusion soll Energie liefern Selbstheizung soll die Energieverluste übertreen Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 21 / 43
Lawson Herleitung - 3/3 folgt weiter durch Einsetzen 1/4 σν n 2 E α 3nk B T /τ umstellen und kürzen liefert das Lawson Kriterium n τ 12 k B T σν P α Dies ist die minimale Anforderung an ein sich selbst erhaltendes Fusionsplasma. Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 22 / 43
Tripelprodukt, Fusionsprodukt Heute sehr gebräuchliches Kriterium Für den Fall, dass T und n (nahezu) beliebig verändert werden können, aber der maximale Druck konstant ist erhält man (ohne Herleitung) das Tripelprodukt oder auch Fusionsprodukt n T τ 12 k B T 2 σν P α Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 23 / 43
Lawson Kriterium für eine D-T Reaktion im Reaktor mit Trägheitseinschluss Für eine selbst laufende D-T Reaktion müsste bei T = 100.000.000 Grad n 10 31 m 3 τ 10 11 s ein Wert für nτ erreicht werden von nτ 10 20 s/m 3 Bis heute unerreicht. Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 24 / 43
Möglichkeiten des Plasmaeinschlusses Gravitation (Sterne) Magnetfeld (Kraft auf geladene Teilchen)... Tokamak und Stellarator Trägheit der Teilchen; wichtig für Laserfusion Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 25 / 43
Lawson Kriterium - erreichte Werte 0 http://lei.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/umwelt_technik/11fusion/lawson_k.gif Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 26 / 43
Idee beim Trägheitseinschluss aufgrund der Masse der Teilchen haben diese eine gewisse Trägheit (Trägheitsgesetz) nach Erreichen des kleinsten Abstands (höchste Verdichtung) verweilen die Teilchen kurz bevor sie auseinander gehen sind dann Fusionsbedinungen erfüllt, können Teilchen verschmelzen Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 27 / 43
1 Einführung Fusion 2 Laserfusion 3 Ausblick 4 Zusammenfassung Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 28 / 43
Laserfusion - Grundprinzip Aufheizen und Verdichten durch Bestrahlung mit geeignetem Laserlicht spezielle Brennstokugeln Vorteile (Einschluss von selbst) Nachteile (Hoher Anspruch an Form der Brennstopellets) Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 29 / 43
D-T Brennstokugel für Laserfusion Trägheitseinschluss 3 Schichten Tamper Material mit hohem Z (schwer), Zusammenhalt der Kugel bei Beschuss Pusher Material mit mittlerem Z, nimmt Laserenergie auf, treibt an Fuel D-T Brennsto, fest bei 8 K Void Hohlraum, Vakuum, Platz für die Implosion Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 30 / 43
Ablauf einer Laserfusion - Energiezufuhr Energiezufuhr ( 6 MJ) Puls von 30 ns Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 31 / 43
Ablauf einer Laserfusion - verdichten und erhitzen Pusher wird stark erhitzt (100-300 ev) es entsteht hoher Druck (6 10 12 Pa) Brennsto wird nach innen Beschleunigt (a = 2 10 13 m/s 2 ) Implosion in τ imp 30 ns mit v 5 10 5 m/s Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 32 / 43
Ablauf einer Laserfusion - erreichen der Fusionsbedingung und Zündung Brennsto ist im Innern stark verdichtet und erhitzt abbremsen in 100 ps p DT = 8 10 17 Pa T = 4 kev Einschlusszeit τ = 600 ps Fusion beginnt Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 33 / 43
Ablauf einer Laserfusion - verbrennen des Treibstos α-teilchen heizen Plasma bis 80 kev Fusion breitet sich von innen nach auÿen aus bei einer Verbrennungsrate von 30% des Treibstos und 20 mg DT entstünden 3 GJ Energie Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 34 / 43
National Ignition Facility (NIF) - Übersicht http://www.nuc.berkeley.edu/thyd/icf/fig/nifbldg.jpg 192 Laser (Nd:Glass) 1.8 MJ UV Laser Energie 500 TWatt Energie auf das mm groÿes Target 10 Meter Durchmesser Zielkammer lm http: //www.llnl.gov/nif/ project/index.html Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 35 / 43
National Ignition Facility (NIF) - Übersicht http://www.nuc.berkeley.edu/thyd/icf/fig/nifbldg.jpg Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 36 / 43
National Ignition Facility (NIF) - Beamline http://www.llnl.gov/nif/project/images/how_beampath2.gif Anfangslaserpuls im nj Bereich präzise Strahlform mehr als 1.000.000 fach verstärkt vor eintritt in Beampath dort nochmals 2 Stug verstärkt lm Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 37 / 43
Ausblick technische Machbarkeit ist gezeigt worden ITER soll selbsterhaltenden Bereich erschlieÿen anschlieÿend Fusionskraftwerk neutronenfreie Fusion Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 38 / 43
Ausblick auf künftige Reaktionen neutronenfreie Fusion - interessant für fortgeschrittene Anlagen 1 1 5 3 4 2He + 8.7 MeV (6) 1 1 3 3 He + 4 2 2He + 4.0 MeV (7) hier nur geladene Teilchen und stabile Atome Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 39 / 43
Ausblick - Moores Gesetz Fusionsprodukt verdoppelt sich alle 1.8 Jahre http://iter.rma.ac.be/en/img/mooreslaw_en.jpg Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 40 / 43
Take Home Massage Fusion ist potentieller Energielieferant in der Zukunft hohe Energiegewinne möglich Umweltgefährdung und Belastung gering Brennsto (D) ist in Mengen vorhanden; genauso Li Trägheitseinschluss und Fusion mit Lasern ist machbar aber noch wird nicht ausreichend Energie gewonnen Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 41 / 43
The End... Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Georg Hofmann (Uni Osnabrück) Laserfusion 05. Juni 2007 42 / 43