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;