V3.1*

3.1
Fusion im Himmel und auf Erden
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
3.11
Bindungsenergie und Fusionsreaktionen
Bindungsenergie pro Nukleon
Fusion
Spaltung
Quelle: /Taube 1988 : Materie, Energie..,; Hirzel Verlag; Abb. 6.14; p.235
Thermonukleare Fusion der leichten Elemente
Bindungsenergie
pro Nukleon
Schema der
Fusion
Technisch interessant:
D + T -->
He + n + 17,6 MeV
Quelle: /Taube 1988 : Materie, Energie..,; Hirzel Verlag; Abb. 6.15; p.236
einige Fusionsreaktionen:
d-t Reaktion:
d + t
-->
4He
+ n
+ 17.58 [MeV]
d-d Reaktion:
d + d
-->
t + p
d + d
--> 3He + n
+ 4.03 [MeV]
+ 3.27
d + 3He -->
4He
p - Reaktionen:
4 p -->
+ n
+ 18.35
4He
+ 26.7 [MeV]
geht aber nicht in einem Schritt, daher technisch viel zu langsam
p +
11B
-->
3* 4He
Quelle: IPP 1995; Kernfusion- berichte aus der Forschung; p.9;
+ 8.7
IPP_Kernfusion1995.ppt ;
[MeV]
/Taube 88; p.234 /
Wirkungsquerschnitt  und Reaktionsparameter <  v >
von Fusionsreaktionen
d+t -Reaktion ist leichter erreichbar
< v >

Wirkungsquerschnitte 
von Fusionsreaktionen
[barn]
d+t
<  v > = „Reaktionsparameter“
(gestrichelt)
v = relative Geschwindigkeit der
Reaktionspartner
Quelle: /Diekmann-Heinloth 97:“Energie“,Abb. 10.1,p.289, Teubner Verlag, Stuttgart; Urquelle: [9.11]= Fricke-Borst 1987,erw. Auflage, Abb. 15.6]
Die heute technisch interessante Fusionsreaktion
d-t Reaktion:
d + t
wobei :
-->
4He
+
n
+ 17.58 [MeV]
3.51 (He) + 14.07 ( n) = 17.58 [MeV]
Brutreaktionen in Lithium
7Li
+ n
-->
4He
+ t + n
- 2.47 [MeV]
6Li
+ n
-->
4He
+ t
+ 4.78 [MeV]
Vorkommen: 92.6% als 7Li
7.4% als 6Li
und
/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/
3.12
Aktueller Stand der Plamaphysik:
kurz vor der Zündung
Prinzip der Fusion
D
T
n
(14,6 MeV)
He
(3,6 MeV)
*
bei hinreichend kleinen Abständen zwischen dem Deuterium und
dem Tritium Kern kommt es zu Fusionsreaktionen
*
in einem heißen Plasma (100-200 Mio °) werden bei Stößen
diese Abstände „regelmäßig“ erreicht
*
bei einer ausreichenden Isolierung kann das Plasma seine hohe
Temperatur allein durch die Heizenergie der a-Teilchen
aufrecht erhalten
3.121
Die Zündbedingung des Plasma
Zündbedingung:
Fusionswärme (Stöße der erzeugten alpha-Teilchen)
>=
Wärmeverlust durch Transport, quantifiziert durch Energieeinschlusszeit E
+
Strahlungsverluste
Im Plasma erzeugte
[ Bremsstrahlung der Elektronen an den schweren Ionen (Hauptanteil der Strahlungsverluste);
Rekombinationsstrahlung ( nach dem Einfang eines Elektrons durch ein Ion)
Linienstrahlung nur teilweise ionisierter Atome
Zyklotronstrahling der gyrierenden Elektonen ]
Energieeinschlusszeit E = die Zeit , in der das Plasma seinen Energieinhalt
durch Transportvorgänge
an die Umgebung abgegeben hat.
Quelle: Hamacher, T.:“Stand und Perspektiven der Fusion“; DPG_AKE 1997; p-59-74;p.61+62
Das Lawson Kriterium: Tripelprodukt
Zur Zündung müssen :
ausreichend viele Teilchen
oft
und heftig genug
[Plasmadichte n ]
[Energieeinschlusszeit E ]
[Temperatur T ]
miteinander zusammenstoßen.
Zündkriterium (Lawson):
n * E * T >= 6* 1016 [cm-3 s MK ]
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
**Exkurs zum Detail****
Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227;Abb.2;p.201
Stand der Plasmaphysik
Quelle: Hamacher: Vortrag AKE_2002F, Hamacher.ppt
Die zeitliche Entwicklung bei der Annäherung an die Zündbedingung
Quelle: www.IPP
EU + Japan+Russland u.a: ITER: inVorplanung; Zündung
(Internationaler Thermonuklearer Experimentalreaktor)
JET = Joint European Torus : (Culham GB)
Deutschland:
(IPP-Garching):
ASDEX; ~ upgrade
Wendelsstein 7-AS,
7-X (Greifswald)
Isar
Japan: JT 60; JT 60U
USA: TFTR (Princeton)
D III D (San Diego)
Alcator (Boston)
Russland: T3; T10
„Forschung“-
ergänzt unter Benutzung von /Diekmann-Heinloth 97,Abb. 10.2;p291/
Stand der Plasmaphysik
*
hinreichend gute Wärmeisolierung des Plasma
*
a-Teilchen Heizung
*
weiterführende Einschlußkonzepte
*
Stabilität des Plasma
*
kontrollierte Wärmeabfuhr aus dem Plasma:
Stichwort: Plasma-Wand Wechselwirkung
*
Asche-Abfuhr
Stand der Plasmaphysik: Rekord-Schüsse bei JET
3.13
Wege zur Plasmazündung
Zündkriterium (Lawson):
n * E * T >= 6* 1016 [cm-3 s MK ]
Physikalische Aufgaben:
1. n * E
2.
T
: Einschluß eines ausreichend dichten Plasmas über
ausreichend lange Einschlusszeit
: Aufheizen des Plasmas
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;
3.131
Magnetischer Einschluss im Torus
Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227; p.185ff
Die Notwendigkeit eines
nicht axialsymmetrischen Zusatzfeldes
Im Torus ist die Magnetfeldstärke
innen größer als außen;
dieTeilchendriftbewegung würde zu
einer Ladungstrennung (E -Feld)
und deshalb zu einer
nach außen gerichteten
E x B -Kraft
auf das Plasma führen.
Um dieses Abdriften zu vermeiden,
müssen die Magnetfeldlinien verdrillt
werden......
Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227;Abb.4;p.203 un p.185ff
Verdrillung der Magnetfeldlinien
Um das Abdriften des Plasmas zu vermeiden,
müssen die Magnetfeldlinien beim Umlauf um den großen Radius
verdrillt werden.
Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227;Abb.5;p.204 und p.185ff
3.1311
Magnetischer Einschluss im Torus:
Tokamak
Ziel :
Toroidaler Magnetischer Einschluß mit
Verdrillung der Magnetlinien
• Wählt man eine axialsymmetrische Toruskonfiguration,
so kann die Verdrillung
zwingend nur durch einen toroidalen Strom hervorgerufen werden.
• Dieser Strom wird im allgemeinen durch einen Transformator erzeugt.
• Diese Konfiguration heißt
Tokamak.
• Der Tokamak ist wegen des begrenzten Flußhubs des Transformators gepulst,
was nicht eben günstig für einen Dauerbetrieb ist.
Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227;Abb.6; p.185
Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227;Abb.6;p.205 un p.185ff
Der Tokamak (magnetischer Einschluß des Plasma)
Next European Torus - Entwurf 1990
1 Transformatorwicklung
zur Erzeugung
eines Plasmastroms
6 Kryostat
2 Abschirmblanket
3 Plasma
4 Vakuumgefäß
5 Evakuierungsleitung
7 Stabilisierungswicklung
8 Hauptfeldspulen
9 Erste Wand
10 Divertorplatten
11 Poloidalfeldspulen
zur vertikalen
Lageregelung
des Plasmas
Quelle: J.E. Vetter:“Kernfusion-Auf dem weg zum Reaktor; DPG_AKE 1990; Abb.5; p.135
ITER
12 m
3.1312
Magnetischer Einschluss im Torus:
weiterführende Einschlusskonzepte
Stellarator
Stand der Plasmaphysik
Ein Kraftwerk muß eine stationäre Maschine sein. Eine Möglichkeit
dahin ist die Verbesserung des Tokamaks, eine andere Alternative
der Stellarator:
Advanced Tokamak
*
nicht Induktiver-Stromtrieb durch verschiedene
Methoden denkbar
*
„Optimierung“ des
Bootstrap Stromes
Problem: bisher hoher Energieaufwand
Stellarator
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.
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
Computerzeichnung von Magnetspulen und Plasma des
Stellaratorexperimentes Wendelstein 7-X (wird in Greifswald gebaut, soll 2007 in betrieb gehen).
Quelle:Milch,I.:“Die Sonne auf die Erde holen“, PhiuZ 26 (1995),Heft 2;,p.69-74; Abb.2;p71; IPP 1995; Kernfusion- Berichte aus der Forschung; p16; IPP_Kernfusion1995.ppt
3.14
Plasma-Aufheizung
• Stromheizung
• Hochfrequenzheizung
•Neutralteilchenheizung
Quelle: IPP 1995; Kernfusion- Berichte aus der Forschung; p.14+15;
IPP_Kernfusion1995.ppt ;
Stromheizung:
Ein rela tiv kleiner Strom, der in vielen Windungen um den Eisenkern eines
Transformators geführt wird,
kann in der "Sekundärwicklung", dem Plasmaring, einen großen Strom treiben.
Quelle: IPP 1995; Kernfusion- Berichte aus der Forschung; p.14;
IPP_Kernfusion1995.ppt ;
Hochfrequenzheizung:
Wenn eine elektromagnetische Welle die gleiche Drehfrequenz hat wie ein Ion bzw.
Elektron im Magnetfeld,
kann das Teilchen aus dem elektrischen Feld der Welle Energie aufnehmen.
Quelle: IPP 1995; Kernfusion- Berichte aus der Forschung; p.14;
IPP_Kernfusion1995.ppt ;
Neutralteilchenheizung:
In dem Injektor werden in einer Ionenquelle Ionen erzeugt, dann beschleunigt und
schließlich neutralisiert, damit sie durch den Magnetfeldkäfig nicht abgelenkt werden.
Die schnellen (aber nun neutralisierten) Teilchen dringen in das Plasma ein,
wo sie ihre Energie durch Stöße an die Plasmapartikel weitergeben.
Übrig gebliebene Ionen werden durch ein magnetisches Ablenksystem in einen Ionensumpf gelenkt.
Quelle: IPP 1995; Kernfusion- Berichte aus der Forschung; p.15;
IPP_Kernfusion1995.ppt ;
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;