kernfusion energiegewinnung sommerakademie salem 2008zukunft der energieann-kathrin perrevoort
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KernfusionEnergiegewinnung
Sommerakademie Salem 2008 Zukunft der Energie Ann-Kathrin Perrevoort
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Inhalt
• Einführung - DT-Reaktion - Energiedichte - Heizen - Lawson-Kriterium - Geschichte der Kernfusion
• Einschlussverfahren– Magnetischer Einschluss (Tokamak, Stellarator)– Trägheitseinschluss
• Fusionskraftwerk• ITER• Pro und Kontra
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Deuterium-Tritium-Reaktion
²H + ³H 4He + 1n + 17,6 MeV
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Tritium-Herstellung
• Deuterium nahezu unbegrenzt verfügbar (0,015% des Wasserstoffs), Tritium muss erbrütet werden:
1n + 6Li 4He + ³H• Tritium ist Betastrahler, Halbwertszeit 12,3 a, Lithium
nicht radioaktiv
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Energiedichte
Kohle: 33 MJ/kgUran: 2,1*106 MJ/kgDT: 3,4*108 MJ/kg
Bsp: Jahresverbrauch einer Familie (48 000 MJ) gedeckt durch 75mg D und 225mg Li aus 2 Litern Wasser und 250 g Gestein (entspricht 1000 Litern Öl)
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Heizen des Plasmas
Nötige Temperatur: 100 bis 120 Mio K• Ohmsche Heizung durch Strom im Plasma• Neutrateilchen-Einschuss• Hochfrequenzheizung mithilfe hochfrequenter Radiowellen
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Lawsonkriterium• Fusionsprodukt: n*T*τ• Lawson: n*T*τ > 6*1028 sK/m³ => Zündung• Energieverstärkung: Q=Fusionsenergie/aufgewendete Energie
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Geschichte der Fusionsforschung
• 1919: Ernest Rutherford beschießt Stickstoff mit α-Teilchen und erhält Sauerstoff
• 1934: Rutherford lässt Deuterium und Tritium zu Helium fusionieren
• 1. 11. 1952: Zündung der Wasserstoffbombe Ivy Mike
• 1965: erster Tokamak T3• 1973: JET wird gebaut (1991: 1,8MW, 1997: 16 MW)
• Zukunft: ITER, DEMO
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Magnetischer Einschluss
• Hohe Temperaturen:- Plasma zerstört Behälterwände- Verunreinigungen unterbrechen Fusion
• Plasma besteht aus geladenen Teilchen=> Magnetfeld bringt Plasma auf Kreis-/Schraubenbahn
• Nachteil: Erzeugung starker Magnetfelder (B~v) sehr aufwendig und kostspieligLösung: supraleitende Magnete
• Lawson: n=1020*m-3, τ=3s
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Tokamak
• russ.: Toroidale Kammer mit Magnetfeld• Plasmaeinschluss durch schraubenförmiges Magnetfeld
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Vorteile/Nachteile
• Am weitesten fortgeschrittener Bautyp
• Induzierter Strom heizt das Plasma
• Kein Dauerbetrieb möglich (wegen dem Transformator)
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ASDEX Upgrade
• größte deutsche Fusionsanlage, IPP in Garching• Plasmaphysik unter kraftwerksähnlichen Bedingungen,
ITER-Vorbereitung
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JET – Joint European Torus
• weltweit größte Anlage, in Culham (GB)• Plasmaphysik in der Nähe der Zündung• 1997: 16 MW Leistung, Q=0,65
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Stellarator
• lat.: stella – der Stern• Magnetfeld wird durch die spezielle Spulengeometrie
erzeugt• Plasmaeinschluss ohne Transformator
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Vorteile/Nachteile
• Dauerbetrieb möglich• Magnetfeld nur von
außen vorgegeben: kann optimiert werden
• Keine Heizung durch Strom im Plasma
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Wendelstein 7-X
• Wird in Greifswald (IPP) gebaut• Kraftwerkstauglichkeit des Stellaratorprinzips
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Trägheitseinschluss
1. DT-Kügelchen wird bestrahlt, Plasmahülle bildet sich
2. Rückstoß verdichtet das Innere des Kügelchens
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Trägheitseinschluss
3. Hohe Dichte und Temperatur im Kern, Zündung des Plasmas
4. Plasmabrennen erfasst das gesamte Kügelchen
Lawson: n=1030*m-3, τ=3*10-10s
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Fusionskraftwerk
• Blanket:
- Neutronen geben Energie ab (14,1 MeV) => Stromerzeugung
- Tritium erbrüten• Brennstoff-Nachfüllen durch Pellets• Divertor: Entfernen von Helium und Verunreinigungen
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Fusionskraftwerk
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ITER
• Internationaler thermonuklearer experimenteller Reaktor• lat.: iter – der Weg
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ITER
• Internationales Gemeinschaftsprojekt:EU, Schweiz, USA, Japan, Russland, VR China, Indien, Südkorea
• In Cadarache (Südfrankreich), Fertigstellung 2018• Kosten: ca. 4,6 Milliarden €
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ITER
• Testreaktor nach dem Tokamak-Prinzip• 500 MW Leistung, Energieverstärkung Q=10• Radius 6,2m, Magnetfeld 5,3T, Pulslänge 500s
• Untersuchungen des brennenden Plasmas• Blankettechnologie• Schlüsseltechnologien (Magnete, Materialien,...)
• Danach: Demonstrationskraftwerk DEMO (Q=20-30)
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Pro Kernfusion
• Hohe Energiedichte (Jahresverbrauch bei 1000MW: 100kg D + 300kg Li)
• Rohstoffe fast unbegrenzt verfügbar• Geringe Rohstoffkosten, kaum Transport
=> Stromgestehungskosten ca. 6 Cent/kWh• Keine unkontrollierte Kettenreaktion möglich• Kein CO2-Ausstoß, keine Abgase allgemein• Keine radioaktiven Ausgangsstoffe• Wenig radioaktive Abfälle mit kurzen
Halbwertszeiten (Lagerung von ca. 100 a)
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Kontra Kernfusion
• Nicht frei von Radioaktivität• Nur in Industriestaaten realisierbar (wegen
Infrastruktur)• Komplizierte Technik, hohe Investitionen• Bislang noch keine Energiegewinnung realisiert
(erstes Fusionskraftwerk voraussichtlich 2060)
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Quellen
• Kernfusion – Berichte aus der Forschung (IPP)• Kernfusion – Ongena, Van Oost, Eidens, Mertens,
Schorn• Kernfusion – Schorn• Saubere Energiequelle mit Zukunft (EFDA)• Fusion (CPEP)• www.weltderphysik.de• leifi.physik.uni-muenchen.de• www.jet.efda.org• www.fzk.de• Wikipedia