kernfusion. energieproblematik energieverbrauch grafik basiert auf daten des bundesministeriums für...
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Kernfusion
Energieproblematik
EnergieverbrauchPrimärenergieverbrauch 2004 sortiert nach Energieträgern
37%
13%11%
22%
13%
1% 3%
Mineralöl Steinkohle Braunkohle Naturgase Kernenergie Wasser/Wind Sonstige
Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit
Energieverbrauch
Entwicklung des Rohölpreises
10152025303540
1990 1995 2000 2005
Jahr
$ / b
arre
l
Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit
Klimawandel
CO2-Emissionen
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Mio
t
8809009209409609801.0001.0201.040
Welt Deutschland
Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit
Klimawandel (IPCC)
Lösungsansätze• Regenerative Energieträger fördern
– Eingeschränktes Potential• Atomenergie
– Gefahr, Entsorgungsproblem• Mittelfristig: Kohle und CO2-Sequestrierung• Energieeffizienz und Verbrauchsreduktion• Langfristig: Die Kernfusion
– treibgasarm– unerschöpflich– vergleichsweise ungefährlich
Grundlagen der Fusion
Bindungsenergie
Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)
2,8 MeV
8,8 MeV
1,1 MeV
7,1 MeV
Coulombbarriere
1 fm1 fm
ca. 500 keV (H-1)
EnergieverteilungW
ahrs
chei
nlic
hkei
t
Energie
Fusionsreaktionen
Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)
Fusionsreaktionen
Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)
Fusionsreaktionen
Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)
Plasma
Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)
Zündbedingung
Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)
Fusionstechnik
Magnetischer Einschluss• Vermeidung des
Kontaktes zwischen Plasma und Wand Abkühlung
• Beschleunigung der Ionen und Elektronen
• Wärmeisolierter Einschluss
• Lenkung des Plasmas durch Magnetfelder
• Bevorzugt ringförmige Felder
Tokamak
• Überlagerung zweier Magnetfelder
• Toroidal(in Form eines Torus)
• Poloidal(schraubenförmig)
• Transformatorspule erzeugt Plasmastrom, arbeitet gepulst
Stellarator
• Dauerbetrieb möglich• Ausschließlich äußere
(sog. nicht-ebene) Spulen
• Kein Transformator• Computeroptimierte
Spulengeometrie• Technisch einfache
Kraftwerkvariante
Plasmaentladungen
Stöße und Verunreinigungen
• Fusion geschieht durch Stöße• Stöße ändern die Bahn der Teilchen
– Guter Einschluss benötigt; großer Reaktor– Fremdatome gelangen ins Plasma:
Verunreinigung, Abstrahlung• Lösungen
– Magnetischer Einschluss– Verständnis der Plasma-Wand-Wechselwirkung– Materialforschung
Plasmaheizung• Stromheizung• Plasma ist leitfähig
und besitzt einen Widerstand
• Transformator induziert Strom
• Plasma wie Sekundärwicklung
• Pulsweise einige Millionen Ampere
Plasmaheizung• Hochfrequenzheizung• Eigenschwingung der
Elektronen und Ionen• Resonante Anregung
durch elektromagn. Wellen möglich
• Energie wird durch Stöße weitergegeben
• Zyklotronfrequenz geeignet
PlasmaheizungNeutralteilcheninjektion• Ionen werden
beschleunigt• Zur Vermeidung von
Ablenkung: Neutralisation
• Schnelle Teilchen (ca. 1000 km/s) geben Energie durch Stöße ab
Plasmabegrenzung
• Entfernung von Helium und Verunreinigungen notwendig
• Limiter• Magnetischer Limiter• Divertor
Weitere Elemente
• Supraleitende Spulen• Blanket: In späteren Experimenten zur
Absorption der Energie der Neutronen• Brennstoffnachfüllung, Pellet-Injektion• Plasmadiagnostik
– Temperatur– Dichte– Magnetfeld– Verunreinigungen
Materialforschung
• Forschungsprogramme zur Verbesserung der Materialien unter extremen Bedingungen
• Integriertes Projekt der Europäischen Union und europ. Forschungs- / Industriekonsortium am IPP: ExtreMat
• Besondere Eigenschaften wie Wärmeabfluss
Fusionsforschung
Die Anfänge• 1930er: Erforschung durch Rutherford, Bethe
und Weizsäcker• 1950 Wasserstoffbombe (unkontrollierte
Kernfusion), Ablehnung der Fusion• 1958 Genfer Konferenz zur Kernenergie, großes
Interesse• Erforschung durch USA, UdSSR, Großbritannien
und Frankreich, später auch andere• Zunächst auch Erforschung der Trägheitsfusion
durch USA und Frankreich, jedoch aufwendiger
Deutschland
• Max-Planck-Institut für Plasmaphysik– 1960 Gründung in Garching– 1961 Assoziation mit der EURATOM– Tokamaks „ASDEX (Upgrade)“– Stellaratoren „Wendelstein (7-X)“– 1994 Teilinstitut Greifswald
• Forschungszentrum Jülich: TEXTOR• Forschungszentrum Karlsruhe: TOSKA
JET
• „Joint European Torus“ (Betrieb seit 1984)• Europäisches Gemeinschaftsprojekt in
Culham, Großbritannien• Größter Tokamak der Welt• Nahe an den Zündungsbedingungen• Europäische Technologieplanungsgruppe
EFDA (European Fusion Development Agreement)
Außerhalb Europas• USA
– Tokamak-Experiment DIII-D– Trägheitsfusion
• Frankreich– Tore Supra, Cadarache: Tokamak mit supraleitenden
Spulen• Japan
– Tokamak JT-60 überschreitet seit 1996 das Energieäquivalent
– JFT-2M zur Unterstützung von ITER– SSTR: Erforschung längerer Tokamak-Betriebszeiten
ITER
Das Projekt• ITER: Internationaler Thermonuklearer Experimental-
Reaktor (lat. „der Weg“)• Soll zeigen: Energieerzeugung durch brennendes
Plasma möglich; Erreichen der Zündung durch größere Apparatur
• Erforschung hochenergetischer Plasmen• Partner: EU, USA, Russland, China, Japan, Südkorea• Bauzeit 10 Jahre, Plasmaerzeugung ab 2016• Begleitend (inter-)nationale Forschung wie JET,
International Fusion Materials Irradiation Facility (IMFIF)• 30 Jahre Planungs-, Bau- und Betriebszeit, danach
DEMO
Geschichte• 1970er: Nationale Fusionsprogramme, Bau großer
Tokamak-Anlagen• Notwendigkeit der Zusammenarbeit zwischen UdSSR
und USA• 1985/86 Supermächte-Gipfel in Genf: Initiative von
Gorbatschow, Reagan und Mitterand: Gemeinsam nächster Schritt: UdSSR, USA, Europa, Japan
• Partner: Europa, Japan, Russland, USA, China• Seit 1988 EU, Japan, Russland, USA• 1997 Ausstieg der USA: Zweifel an der Zümdung,
Kosten; Abweisung, Neuplanung in kleinerer Größenordnung
• Seit 2003 China, Südkorea, wieder USA
Rahmendaten• Investitionskosten 4,6 Mrd EUR• Betriebskosten jährlich 265 Mio EUR• EU 50%, andere Partner je 10 %• 500 Megawatt Fusionsleistung• Energiegewinnungsfaktor von 10
(Plasmaheizung : Fusionsenergie)• 600 Wissenschaftler, Ingenieure, Techniker• 1 g Brennstoff soll 90000 KWh Energie (11 t
Kohle) liefern• 400 Sekunden Dauerbetrieb
Aktuelle Ereignisse
• Standortstreit: Juni Entscheidung für Cadarache (EU, Russland, China), gegen Rokkasho (Japan, USA, Südkorea)
• EU kommt Japan entgegen– Personal, Direktor– Aufträge ITER und weitere Projekte wie eine
Materialtestanlage– DEMO
• Indien strebt Beteiligung an
DEMO
Das Fusionskraftwerk
• DEMO als Kraftwerk-Demonstrationsanlage
• Nachfolgeprojekt zu ITER• Geschätzte 50 Jahre bis zur wirtschaftlich
nutzbaren Energie• Standort: wahrscheinlich Japan
Wirkungsweise
• Bei der Fusion freigewordene Energie und Teilchen insbesondere schnelle Neutronen heizen das „Brutblanket“
• Wärmetransport durch Helium• Angeschlossenes Wärmekraftwerk
Sicherheit und Umwelt
• Betrieb ist vor Katastrophen geschützt• Radioaktiver Abfall
– Wände des Plasmagefäßes– Zwischenlagerung notwendig– Radioaktivität nach 100 Jahren auf ein
zehntausendstel reduziert• Entwicklung von effizienten
Rezyclierungsverfahren– Ziel: Nach 100 Jahren kein Abfall mehr zu isolieren,
statt dessen freigegeben bzw. in neuen Kraftwerken
Sozioökonomische Faktoren• Stromkosten noch nicht abschätzbar• ITER gibt einen guten Maßstab für zukünftige
Kraftwerkskosten• Modellierungen des Energiemarktes
– Eindringen in den europäischen Energiemarkt möglich
– Bedingung: Senkung des CO2-Ausstoßes– Fusion ab 2050– 20-30% Marktanteil im Jahr 2100– Hauptkonkurrenz: Kohle und Kernspaltung– Bedienung der Grundlast, im Unterschied zu– Regenerative unstetig, daher speicherabhängig
Fusion und Nachhaltigkeit
• Auf lange Sicht Bedienung der Grundlast• Möglichkeit des Wasserstoffkreislaufs
– Wasserstofffusion zur Erzeugung von Wasserstoff (o. ä.) als Energieträger
– Mobile Anwendungen wie Fahrzeuge mit Verbrennungs- oder Brennstoffzellenantrieb
• Unabhängiger und CO2-neutraler Energiekreislauf
Verzeichnis der Quellen• IPP• www.ipp.mpg.de• ITER
www.iter.org• Cadarache
www.itercad.org• JET
www.jet.efda.org• Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit• Bundesministerium für Umwelt• Physik-Journal• IPCC