3.1 Fusion im Himmel und auf Erden 3.11 Bindungsenergie und Fusionsreaktionen.
3.12 Aktueller Stand der Plamaphysik: kurz vor der Zündung 3.121 Die Zündbedingung des Plasma
3.13 Wege zur Plasmazündung (Einschluss) 3.131 Magnetischer Einschluss im Torus .1311 Tokamak .1312 weiterführende Einschlusskonzepte: Stellarator ( 3.132 Trägheitseinschluss) ( 3.133 Schwerkrafteinschluss [Sonne])
3.14 Plasma-Aufheizung
3.15 Auf dem langen Marsch zum Kraftwerk
3.16 Einige technologische Brennpunkte
3.17 Sicherheit der Fusion
3.18 Der Zwischenspurt zum ITER
Bindungsenergie und Fusionsreaktionen
3.11
Bindungsenergie pro Nukleon
Quelle: /Taube 1988 : Materie, Energie..,; Hirzel Verlag; Abb. 6.14; p.235
Fusion
Spaltung
Brutreaktionen in Lithium7Li + n --> 4He + t + n - 2.47 [MeV]
6Li + n --> 4He + t + 4.78 [MeV]
Vorkommen: 92.6% als 7Li und 7.4% als 6Li
d-t Reaktion:
d + t --> 4He + n + 17.58 [MeV] wobei : 3.51 (He) + 14.07 ( n) = 17.58 [MeV]
Die heute technisch interessante Fusionsreaktion
/Hamacher,T.: „Stand und Perspektiven der Fusion“ ; DPG-AKE-1997, 57-76; p.59+60 / und / Pinkau,K. „Stand ... der..Fusionsforschung“;DPG-AKE 1996; p.200/
Aktueller Stand der Plamaphysik:
kurz vor der Zündung
3.12
Das Lawson Kriterium: Tripelprodukt
Praktische Zündbedingungen:
Plasmadichte ca. 1014 Teilchen pro cm3
Energieeinschlusszeit 1- 2 [s]
Plasmatemperatur 100-200 [M K]
Quelle:Milch,I.:“Die Sonne auf die Erde holen“, PhiuZ 26 (1995),Heft 2,p.69-74; p7; und IPP 1995; Kernfusion- berichte aus der Forschung; p.9; IPP_Kernfusion1995.ppt
Zur Zündung müssen :
ausreichend viele Teilchen [Plasmadichte n ]
oft [Energieeinschlusszeit ]
und heftig genug [Temperatur T ]
miteinander zusammenstoßen.
Zündkriterium (Lawson): n * * T >= 6* 1016 [cm-3 s MK ]
Die zeitliche Entwicklung bei der Annäherung an die Zündbedingung
Quelle: www.IPP „Forschung“- ergänzt unter Benutzung von /Diekmann-Heinloth 97,Abb. 10.2;p291/
Japan: JT 60; JT 60U
USA: TFTR (Princeton) D III D (San Diego) Alcator (Boston)
Russland: T3; T10
Deutschland: (IPP-Garching): ASDEX; ~ upgrade Wendelsstein 7-AS, 7-X (Greifswald)
Isar
EU + Japan+Russland u.a: ITER: inVorplanung; Zündung (Internationaler Thermonuklearer Experimentalreaktor)
JET = Joint European Torus : (Culham GB)
Stand der Plasmaphysik: Rekord-Schüsse bei JET
Wege zur Plasmazündung
3.13
Physikalische Aufgaben:
1. n * : Einschluß eines ausreichend dichten Plasmas über ausreichend lange Einschlusszeit
2. T : Aufheizen des Plasmas
Zündkriterium (Lawson): n * * T >= 6* 1016 [cm-3 s MK ]
Wege zur Plasmazündung
1. Magnetischer Einschluss
Lange Einschlusszeit bei niedriger Dichte einige m3 Plasma im magnetichen Einschluss für einige Sekunden
Tokamak , Stellarator
2. Trägheitseinschluss
Kurze Einschlusszeit bei hoher Dichte Laserlicht oder Teilchenstrahlen verdichten Brennstofftröpfchen für kurze Zeit auf sehr hohe Dichte: MikroSonne
3. Schwerkrafteinschluss Sonne und Sterne
aber für irdische verhältnisse sehr ungewöhnliche Betriebsparameter
4. Myonkatalytische Fusion ( noch sehr Phantasie bewehrt)
Hüllelektronen durch 210 mal schwerere Myonen ersetzt, dadurch kleinerer Atomdurchmesser ; „Einschnürung auf Fusionsabstände“
Quelle: /Diekmann-Heinloth 97:“Energie“,p.291 +292; 301ff;
Magnetischer Einschluss im Torus:
Tokamak
3.1311
Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227;Abb.6;p.205 un p.185ff
ITER
12 m
Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227;Abb.9;p.208 und p.186; und Milch,I. PhiuZ 26 (1995),69-74; p.70
In einem Stellarator fließen alle das Plasma einschließenden Ströme in geeignet geformten raumfesten äußeren Spulen. Stellaratoren benötigen daher keine Apparaturen zur Erzeugung und Kontrolle des Plasmastromes.Stromabbrüche können nicht auftreten und das Plasma liegt ohne Lageregelung stabil.
Stellaratoren sind von vorneherein für Dauerbetrieb geeignet.
Sicherheit der Fusion
* Tritium
* Unfälle
* Radiotoxische Abfälle
3.17
TRITIUM
Halbwertszeit: 1/2 = 12,3 JAHRE ß-STRAHLER (18,6 KV) H3 () He3
BIOLOGISCHE HALBWERTSZEIT IM MENSCHLICHEN KÖRPER FÜR:
KÖRPERWASSER (CA. 92 %) 10 TAGE
IMMOBILES KÖRPERWASSER (CA. 4 %) 1 MONATE
FESTE ORGANISCHE BINDUNG (CA. 4 %) 1 JAHR
INTERNER DOSIS-KONVERSIONSFAKTOR: 65 REM / Curie
( zum Vergleich: PLUTONIUM 50 M REM / Curie )
Radioaktivität: 1 g Tritium ~ 104 Cl
EIN VERLETZLICHES INVENTAR VON WENIGEN HUNDERT GRAMM TRITIUM WIRD ANGESTREBT .
/Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“, DPG-AKE-1996, p.183-227 ; Fig.27 +p.196 /
Zwei Worte zur Sicherheit
Selbst schwere Unfälle führen nicht zu einem Bruch des Confinements: keine Reaktivitätsexkursion, kein Schmelzen des Kerns bei Kühlmittelverlust, alle anderen Energieinventare sind hinreichend klein.
Aber selbst, wenn alles Tritium das Kraftwerk verläßt, wäre eine Evakuierung nur in einem Bereich von 2-3 km2 notwendig.
Zwei Worte zur Sicherheit
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
PDW CRM (RHR) SRM (RHR) SRM (HOR) NAW
Pro
tio
n o
f W
as
te in
pe
rce
nt Plant Model 1
Plant Model 2
Plant Model 3
Die Radiotoxizitätdes Abfalles fällt nach hundert Jahren um etwa 3-4 Größen-ordnungen ab.
Im Prinzip läßt sich fast der gesamte Abfall wiederverwerten.
Stand der Technologie: Materialien
10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 10610-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
Remote Recycling Level
Hands-on Level
Low Level Waste
Medium Level Waste
High Level Waste
MANET-II OPTIFER EUROFER-97 F82H-mod EUROFER ref. FE
Sur
face
Gam
ma
Dos
e R
ate
[Sv/
h]
Time after Irradiation [y]
Kandidaten für das Material sind schon identifiziert und werden laufend verbessert.
Insbesondere zwei Anforderungenmüssen erfüllt sein:
* mechanische Stabilitätbleibt auch nach langer Neutronen-bestrahlung erhalten* niedrige Aktivierung der Materialien zur Vermeidung großer und langlebiger Abfallmengen.
Literatur
Hamacher, Thomas: Vortrag AKE_2002F (von ihm stammen die meisten Original Folien)
Hamacher,T. und Bradshaw.A.M.:“ Fusion as a future power source: recent achievements and prospects“, proceedings of the 18th World Energy Congress, 2001
Pinkau, K.: “Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“, DPG-AKE-1996, p.183-227
Sehr gute Einführung:IPP 1995 : Kernfusion- Berichte aus der Forschung ; (IPP= MPI für Plasmaphysik, Garching) IPP : http://www.ipp.mpg.de/Milch,I.: “Die Sonne auf die Erde holen“, PhiuZ 26 (1995),Heft 2;,p.69-74;