Inte rna tionale Fusionszent ren

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JET
(1997)
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0
Fusion power (MW)
Q≈0.64
Magnetfelder in einem Stellarator
Magnetfeldlinie
Plasmastrom
Plasma
Der erste Tokamak im
Kurtschatow-Institut (Russische
Föderation)
JET (Joint European Torus)
Culham Science Center, UK
Der amerikanische Tokamak
DIII-D (General Atomics)
Magnetfelder in einem Tokamak
Magnetischer Einschluss
Um das Plasma von der Wand fernzuhalten,
bedient man sich eines starken Magnetfeldes.
Denn die geladenen Teilchen, aus denen sich
das Plasma zusammensetzt, also die positiv geladenen Ionen und die negativ geladenen Elektronen, folgen Magnetfeldlinien. Das Plasma wird
in ein reifenförmiges Gefäß eingeschlossen,
dem so genannten Torus“, in dem die Magnet”
feldlinien ringförmig verlaufen und in sich
geschlossen sind. Die Plasmateilchen kreisen
nun durch den Magnetkäfig “, ohne dabei die
”
Wand zu berühren.
Es gibt zwei Maschinentypen, die eine Kernfusion nach diesem Prinzip ermöglichen: Tokamaks und Stellaratoren. Es gibt auch andere
Arten magnetischer Einschlüsse, wie zum Beispiel den reversed field pinch“, ein weiteres
”
axialsymmetrisches toroidales System oder
auch kugelsymmetrische Tokamaks. Die hier
beschriebenen Torus-Tokamaks sind jedoch
von allen Varianten die bislang erfolgreichsten.
Damit es zu ausreichend vielen Fusionsreaktionen im Magnetkäfig kommt, muss man so lange
Wärmeenergie zuführen, bis das Plasma eine
ausreichend hohe Temperatur erreicht hat.
Hierfür stehen mehrere Methoden zur Verfügung, z. B. mittels Erhitzung durch Mikrowellen
oder durch beschleunigte Teilchen. Ist der
Fusionsprozess gestartet, entstehen die energiereichen Fusionsprodukte Heliumkerne und
Neutronen in großem Umfang.
5
Innenansichten des JET Torus,
mit und ohne Plasma
Toroidalfeldspule
überträgt seine Energie auf das Deuterium-Tritium-Gemisch. So wird der Brennstoff weiter
erhitzt. In ausreichend großen Anlagen kann die
hohe Temperatur, die für die Kernfusion benötigt
wird, also quasi durch Selbsterhitzung “ aufrecht
”
erhalten werden. In diesem Fall spricht man von
einem brennenden Plasma“.
”
Neben dem Heliumkern produziert jede Fusionsreaktion auch ein Neutron, das 80 Prozent der
freigesetzten Fusionsenergie trägt. Da Neutronen
nicht elektrisch geladen sind, werden sie auch
nicht vom Magnetfeld eingeschlossen, sondern
fliegen“ direkt in die Verkleidung der Torus”
wand, Blanket“ genannt. Die Energie wird in
”
Wärme umgewandelt, die von einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit absorbiert wird. Wie in einem
konventionellen Kraftwerk wird die Flüssigkeit
anschließend zu Wärmetauschern geleitet, wo
Dampfturbinen die Wärme in Strom umwandeln.
Alternativ könnte die erwärmte Kühlflüssigkeit
auch dazu verwendet werden, um Wasserstoff
herzustellen.
Fusion durch Trägheitseinschluss
Brennendes Plasma
Eine andere Methode der Energiegewinnung
durch Kernfusion ist das Prinzip des Trägheitseinschlusses. Dabei wird ein Kügelchen von
wenigen Millimetern Durchmesser, gefüllt mit
einem Deuterium-Tritium-Brennstoff-Gemisch,
von mehreren sehr starken Lasern gleichzeitig
blitzartig aufgeheizt. Beim Abdampfen der
Oberfläche wird das verbleibende Kügelchen
derart komprimiert, dass durch den enormen
Temperatur- und Dichteanstieg Fusionsreaktionen auftreten können.
Wenn Deuterium und Tritium verschmelzen,
entsteht ein Heliumkern, der etwa zwanzig Prozent der bei der Fusion freigesetzten Energie in
Form von kinetischer Energie auf sich vereint.
Der elektrisch geladene Heliumkern wird wiederum von dem Magnetfeld eingeschlossen und
Das Prinzip des Trägheitseinschlusses setzt
allerdings eine starke und homogene Bestrahlung der Kügelchen mit hoher Frequenz voraus:
etwa 10 bis 20 Kügelchen müssten in einem auf
dieser Methode basierenden Kraftwerk pro
Sekunde per Laser aufgeheizt werden.
Meilensteine der Fusionsforschung
In den vergangenen Jahrzehnten wurde in der Fusionsforschung
weltweit ein enormer Fortschritt erzielt: In den 70er Jahren
machte die Entwicklung der Tokamak-Technik enorme Fortschritte, so dass bald erste Deuterium-Tritium-Experimente
geplant werden konnten. 1991 gelang schließlich erstmals die
kontrollierte Fusion von Deuterium- und Tritiumatomen
mit einer Fusionsleistung von 1,7 MW. Dieser wichtige
Meilenstein wurde im Joint European Torus (JET) im
englischen Culham erzielt.
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Der nächste Schritt
Diese Ergebnisse und die Ergebnisse anderer Tokamak-Experimente weltweit erlaubten die Entwicklung einer soliden wissenschaftlichen und technischen Grundlage. Diese Basis ermöglicht
es nun, den nächsten Schritt” zu gehen: Das Tokamakprojekt
”
ITER soll Fusionsenergie im Bereich von mehreren hundert
MW erzeugen. Die Fusionsleistung soll zehn Mal größer sein,
als die Aufheizleistung für das Plasma. ITER soll ein brennendes
Plasma unter Kraftwerksbedingungen produzieren und dabei
Schlüsseltechnologien integrieren, die notwendig sind, um die
Fusion zu einer aussichtsreichen Energiequelle zu machen.
Fusion ist eine der wenigen nachhaltigen Energiequellen,
die die Menschheit langfristig versorgen kann.
Sie ist sicher, umweltverträglich und allseits verfügbar.
Man rechnet damit, dass die Fusion in der zweiten Hälfte
dieses Jahrhunderts im Verbund mit anderen Energieerzeugungstechnologien eine wichtige Rolle bei der Grundlastversorgung spielen wird.
Südpol
320
1990
2000
Kohle
Öl
Wasserkraft
brennbare erneuerbare Energieträger & Müll
Gas
300
Kernenergie
280
800
Der Ausstoß von Treibhausgasen verändert
unser Klima. Treibhausgase verursachen
weltweit einen Anstieg der Jahresdurchschnittstemperatur, sie verändern die
Niederschlagsmengen und lassen den Meeresspiegel ansteigen. Die Reduktion von
Treibhausgasen ist daher ein dringliches
Problem und nur drastische Maßnahmen
– sowohl kurzfristige als auch langfristige –
können schwere Umweltschäden vermeiden.
Die im Kyoto-Protokoll vereinbarte Verringerung des Ausstoßes von Treibhausgasen ist nur ein erster Schritt. Um einen Klimawandel zu vermeiden, müssen verstärkt
Energietechnologien entwickelt und eingesetzt werden, die möglichst keine Treibhausgase produzieren. Fusionskraftwerke
zählen dazu. Sie könnten einen erheblichen
Beitrag zur langfristigen, nachhaltigen
Energieversorgung leisten.
Brennstoffe für die Fusion sind Deuterium und
Tritium, die schweren, weniger häufig vorkommenden Isotope des Wasserstoffs. Aus einem
Kubikmeter Wasser lassen sich ungefähr 35
Gramm Deuterium gewinnen. Deuterium ist
somit weltweit frei verfügbar und preisgünstig
herzustellen. Tritium mit einer Halbwertszeit
von 12,3 Jahren kommt in der Natur zwar
extrem selten vor, da es durch kosmische
Strahlung erzeugt wird, in einem Fusionskraft-
werk kann es jedoch aus Lithium, einem der
häufigsten in der Erdkruste vorkommenden
Leichtmetalle, hergestellt werden.
Die in einem Fusionskraftwerk benötigte
Menge Brennstoff ist klein. Pro Jahr werden
nur 100 kg Deuterium (die aus rund 2800
Tonnen Meerwasser gewonnen werden) und
150 kg Tritium (entsprechend 10 Tonnen
Lithiumerz) für den Betrieb eines 1000 MW
Kraftwerks benötigt. Zum Vergleich: ein Kohlekraftwerk gleicher Dimension benötigt 2,7
Millionen Tonnen Kohle im Laufe eines Jahres.
1000
1200
1400
1600
1800
260
2000
Supraleitender Magnet
D+T
Plasma
D
Deuterium
Brennstoff
Blanket
(enthält Lithium)
Tritium
Abschirmung
Wärmetauscher
Tritium und
Helium
T+4He
4He
Jahr
Vakuumgefäß
Helium
Zeitliche Entwicklung der CO2 Konzentration
Tritium: Ein geschlossener Kreislauf
Geringe Mengen Brennstoff
— Schnelles Abschalten
Die für den Betrieb eines Fusionskraftwerkes
benötigten geringen Brennstoffmengen sind ein
grundlegendes Sicherheitsmerkmal. Obwohl das
Plasma in einem Fusionsreaktor über 1000
Kubikmeter umfassen kann, so ist die tatsächlich benötigte Menge an Deuterium und Tritium
doch sehr gering: Das Gewicht des Brenn”
stoffs“ wiegt etwa soviel wie zehn Briefmarken.
Wie ein Gasbrenner wird das Plasma kontinuierlich aus einem externen Vorratsspeicher mit
Brennstoff versorgt. Nur winzige Mengen, die
für den Betrieb über die nächsten Sekunden
nötig sind, werden in die Brennkammer injiziert. Dies bedeutet, dass die Fusionsreaktion
innerhalb weniger Sekunden durch Unterbrechung der Brennstoffnachfuhr oder durch
Abschalten des Magnetfeldes abgebrochen werden kann. Die Schwierigkeit, das Plasma aufrecht zu halten, ist somit gleichzeitig ein Sicherheitsmerkmal der Kernfusion. Selbst geringe
Abweichungen von den optimalen Bedingungen
verzögern den Fusionsprozess oder bringen ihn
vollständig zum Stillstand.
Fusionsbrennstoff
— nahezu unerschöpflich
340
Mauna Loa
Entwicklung der weltweiten
Gesamtversorgung mit Primärenergie
durch Brennstoff (1000 Mtoe)
von 1971 bis 2003. Quelle: IEA
1994 wurde in der amerikanischen Anlage TFTR bis zu 10 MW
Fusionsleistung produziert. 1997 schob erneut JET die Messlatte
nach oben: Über Sekunden konnte dort eine Fusionsleistung im
10 MW-Bereich gehalten werden, das Maximum lag bei 16 MW.
Eine nachhaltige Energiequelle
D47
Der japanische Tokamak JT-60 U
Weltrekord-Fusionsleistung in JET
Eine CO2-freie Energiequelle
360
D57
1980
JG00.57/1c
Poloidalfeldspulen
10
380
CO2Konzentration(ppm)
15
Sicherheitsaspekte
Erlischt das Plasma, stellt die resultierende
Wärme aus dem radioaktiven Zerfall des Materials, welches das Plasma umschließt, die einzige
verbleibende Energiequelle dar. Sicherheitsstudien haben gezeigt, dass diese Energie so gering
ist, dass kein gefährlicher Temperaturanstieg
auftritt, auch nicht im Falle eines kompletten,
zeitlich unbegrenzten Verlustes des aktiven
Kühlsystems.
Dampferzeuger
Elektrischer
Strom
Turbine und Generator
Außer bei der ersten Inbetriebnahme eines
Fusionskraftwerks und später beim Abbau der
Maschine müssen für den Betrieb keine radioaktiven Komponenten transportiert werden.
Tritium, die radioaktive Brennstoffkomponente,
wird innerhalb der Anlage in einem so genannten Blanket, einer das Plasma umschließenden,
lithiumhaltigen Komponente, produziert. Die
durch die Fusionsreaktionen freigesetzten Neutronen reagieren mit dem Lithium und verwandeln es in Tritium. Die einzige radioaktive
Komponente des Brennstoffs wird also innerhalb der Maschine in einem geschlossenen
Kreislauf produziert und verbraucht.
Keine radioaktiven Emissionen
Die Ausgangsmaterialien des Fusionsbrennstoffs
– Deuterium und Lithium – sind nicht radioaktiv
und können daher gefahrlos zum Kraftwerk
transportiert werden. Als Asche“ des Fusions”
vorgangs bleibt eine geringe Menge des Edelgases
Helium, das ebenfalls nicht radioaktiv ist.
Umfangreiche Sicherheitsstudien haben gezeigt,
dass ein Fusionskraftwerk ohne das Risiko radioaktiver Emissionen betrieben werden kann,
Mensch und Umwelt also nicht gefährdet werden. Der Bau von Fusionskraftwerken unterliegt
strengen Gesetzen und Lizensierungsverfahren,
die einen sicheren Umgang mit Tritium regeln.
Die maximale Menge von Tritium, die bei einem
Unfall austreten könnte, ist so gering, dass lediglich das Gelände innerhalb der Kraftwerkumzäunung evakuiert werden müsste.
Entwicklung niedrig-aktivierbarer
Materialien
Bei der Fusionsreaktion selbst wird zwar kein
radioaktives Material produziert, jedoch werden bei dem Fusionsvorgang hochenergetische
JG9
9.27
8/3c
Schema eines Fusionskraftwerkes
Neutronen freigesetzt, die mit der Wand der
Plasmakammer kollidieren. Als elektrisch neutrale Teilchen können sie weit in die inneren
Komponenten eindringen und mittels Kernreaktionen die Materialien aktivieren“. Die so
”
entstehende radioaktive Strahlung hängt dabei
ganz von der spezifischen chemischen
Zusammensetzung der verwendeten Materialien
ab. Durch die Wahl geeigneter Materialien und
deren zielgerichteter Weiterentwicklung lässt
sich sowohl die erzeugte Radioaktiovität reduzieren, als auch ihr Abbau beschleunigen (geringe Langzeitaktivierung). Das ist wichtig in Hinblick darauf, die Schwellenwerte für die
Wiederverwendung – Stichwort Recycling“ –
”
in möglichst kurzer Zeit zu erreichen.
Niedrig-aktivierbare Chrom-Stähle und Keramiken sowie faserverstärkte Materialien gelten als
geeignete Kandidaten. Die Ergebnisse der bisherigen Materialforschungsstudien zeigen, dass die
Radioaktivität, die während des Betriebs eines
Fusionskraftwerks entsteht, sehr schnell auf ein
Niveau sinkt, das eine Wiederverwendung typischerweise nach etwa hundert Jahren ermöglicht. Voraussetzung dafür ist aber, die bei der
großtechnischen Herstellung der Materialien
entstehenden Verunreinigungen zu minimieren.
Um Materialien für zukünftige Fusionsreaktoren
ausreichend zu qualifizieren, müssen diese unter
fusionstypischen Bestrahlungsbedingungen
getestet werden. Zu diesem Zweck soll parallel
zu ITER eine Internationale Fusionsmaterial
”
Bestrahlungseinrichtung” (International Fusion
Materials Irradiation Facility, IFMIF) gebaut werden.
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ITER — der nächste Schritt
Prototyp der Toroidalfeldspule
in der TOSKA Testanlage
(Forschungszentrum Karlsruhe)
Modell des ITER Standortes
Weltweite Zusammenarbeit
Energie aus Kernfusion
ITER – lateinisch der Weg“ – wird der nächste wichtige
”
Schritt sein. Erklärtes Ziel dieses internationalen Forschungsprojektes ist es, die wissenschaftlichen und technologischen
Beweise dafür zu liefern, dass Fusionsenergie für friedliche
Zwecke nutzbar ist. ITER wurde im Rahmen eines weltumspannenden Forschungsverbundes entworfen; die Partner des
ITER Projekts sind die EU und die Schweiz, die Volksrepublik
China, Japan, Indien, die Russische Föderation, Südkorea und
die USA. In ITER soll ein Fusionsplasma erzeugt und untersucht werden, unter sehr ähnlichen Bedingungen, wie sie auch
in einem kommerziellen Fusionskraftwerk zu erwarten sind.
ITER soll 500 MW Fusionsleistung mit einem zehnfachen Energieverstärkungsfaktor liefern, d.h. die Fusionsreaktion soll zehn
mal mehr Energie erzeugen, als benötigt wird, um die Reaktion
in der Plasmakammer über sehr lange Pulse von 1000 Sekunden und länger aufrecht zu halten. Auch sollen in ITER neue
Technologien integriert und Komponenten für zukünftige
Reaktorgenerationen getestet werden.
Fusion ist die Energiequelle der Sonne und der Sterne. Sie ist der Prozess, bei
dem leichte Atomkerne miteinander verschmelzen und so schwerere Kerne bilden. In der Sonne wird Wasserstoff in Helium umgewandelt. Bei einer solchen
Reaktion wird etwa ein halbes Prozent der Wasserstoffmasse in Energie umgewandelt, gemäß Einsteins Formel E = mc2, die Masse und Energie in Beziehung
setzt. Diese Energie entschwindet als Licht und geht beinahe völlig in den Tiefen
des Weltraums verloren. Nur knapp ein Milliardstel davon erreicht unsere
Erde. Genug, um seit Jahrmilliarden den Wasserkreislauf und die Windsysteme
anzutreiben und ein Leben auf unserem Planeten zu ermöglichen.
Wie man die Kernfusion auf unserer
Erde nutzbar macht
In der Sonne und den Sternen verschmelzen Wasserstoffatome bei extrem hohen Temperaturen
und unter dem enormen Druck der Schwerkraft.
Im Prinzip ist Fusion auch mit vielen anderen,
leichten Elementen möglich. Die Fusion der beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium
ist jedoch am einfachsten durchführbar, weshalb
sie als Ausgangskomponenten für zukünftige
Fusionskraftwerke gewählt wurden. Bei der Verschmelzung von Deuterium und Tritium entsteht
Helium und ein Neutron — und jede Menge Energie.
Schlüsseltechnologien für ITER
ITER wird Schlüsseltechnologien einsetzen und
Komponenten integrieren, die hinsichtlich Größe
und Leistungsfähigkeit einem modernen Kraftwerk
entsprechen; supraleitende Magnete, thermisch
hoch belastbare Komponenten, ferngesteuerte
Robotersysteme, sowie spezielle Anlagen für die
Handhabung von Tritium. Während der vergangenen zehn Jahre wurden viele dieser Schlüsseltechnologien erfolgreich erforscht und getestet.
D+T
D
4He
Die Energie aus der Kernfusion könnte also einen
großen Beitrag dazu leisten, die Energieversorgung
auf der Erde langfristig zu sichern. Wissenschaftler
und Ingenieure aus der ganzen Welt forschen daher
intensiv mit dem einen gemeinsamen Ziel, ein
Fusionskraftwerk zu bauen, das Elektrizität produziert. Mit dem internationalen ITER Projekt, das die
technische und wissenschaftliche Umsetzbarkeit des
Fusionsprozesses zur Energiegewinnung demonstrieren soll, tritt die Fusionsforschung in eine neue,
entscheidende Phase.
+ n + Energie
He
Energie
Der Weg zum Kraftwerk
Prototyp für die Integration des Divertors
Kosten, Planung und Standort von ITER
Beiträge zu den direkten Investitionskosten von rund
4,6 Milliarden Euro werden von den sieben Partnern
hauptsächlich in Form von Sachleistungen erbracht.
Die EU trägt etwa die Hälfte der Kosten. Der Bau von
ITER wird etwa zehn Jahre dauern, der Betrieb ist auf
20 Jahre angelegt. ITER wird auf europäischem Boden
im südfranzösischen Cadarache gebaut werden.
Test Plattform des Divertors
(Brasimone, Italien)
EFDA Close Support Unit - Garching
Boltzmannstr. 2
D-85748 Garching / Munich - Germany
www.efda.org
phone: +49-89-3299-4237
fax: +49-89-3299-4197
e-mail: [email protected]
editors: Federico Casci, Doris Lanzinger
graphic design: Karen Jens
Layout: Stefan Kolmsperger
© J. Pamela (EFDA Leader) 2006.
This brochure or parts of it may not be reproduced without permission. Text, pictures and
layout, courtesy of the EFDA Parties; picture page 1: courtesy of Kurchatow Institut;
page 2: General Atomics; page 3: JAERI; page 4: IEA and IPCC 2001(WGI,SPm).
The EFDA Parties are the European Commission and the Associates of the European
Fusion Programme which is co-ordinated and managed by the Commission.
Neither the Commission, the Associates nor anyone acting on their behalf is responsible
for any damage resulting from the use of information contained in this publication.
A special thank to those who voluntarily provided the translation of this brochure into the
other languages.
Parallel zum Bau und Betrieb von
ITER wird ein Forschungs- und Entwicklungsprogramm in den Bereichen Physik und Technologie erarbeitet, das den übernächsten
Schritt DEMO“ vorbereiten soll.
”
DEMO ist ein Fusionskraftwerk, das
erstmals in großem Rahmen Strom
produzieren und auch die Selbstversorgung mit Tritium demonstrieren soll. Etwa 30 bis 35 Jahre nach
dem Baubeginn von ITER soll
DEMO die industrielle Phase in der
Kernfusion einleiten und den ersten
kommerziellen Fusionskraftwerken
den Weg ebnen.
T
n
Die Fusionsreaktion
Hundert Millionen Grad
Erhitzt man ein Gas auf extrem hohe Temperaturen, geben die Atome ihre Elektronen ab.
Es entsteht ein Zustand aus positiv geladenen Kernen und freien Elektronen, das man Plasma
nennt. Um die geladenen, sich abstoßenden Atomkerne so nahe zusammen zu bringen, dass sie
fusionieren, müssen sie mit enormer Geschwindigkeit verschmelzen, und dazu muss die Temperatur des Plasmas sehr hoch sein.
Die für die Fusion von Deuterium und Tritium benötigte Temperatur liegt zwischen 100 und
150 Millionen Grad Celsius.
Da das Plasma bei Kontakt mit den Wänden des Fusionsgefäßes sofort abkühlen und den
Fusionsprozess stoppen würde, muss es von den Wänden abgehalten werden. Außerdem
könnte bei direktem Kontakt die Gefäßwand beschädigt und das Plasma verunreinigt werden.