V3.1kurz*

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
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
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
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: 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;
3.1311
Magnetischer Einschluss im Torus:
Tokamak
Quelle: Pinkau,K.:“Stand und Perspektiven der Fusionsforschung“; DPG_AKE 1996; p.183-227;Abb.6;p.205 un p.185ff
ITER
12 m
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
3.17
Sicherheit der Fusion
*
Tritium
*
Unfälle
*
Radiotoxische Abfälle
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:
( zum Vergleich:
65
REM / Curie
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
Im Prinzip läßt sich
fast der gesamte
Abfall wiederverwerten.
45
Protion of Waste in percent
Die Radiotoxizität
des Abfalles fällt
nach hundert Jahren
um etwa 3-4 Größenordnungen ab.
40
35
30
Plant Model 1
Plant Model 2
Plant Model 3
25
20
15
10
5
0
PDW
CRM (RHR)
SRM (RHR)
SRM (HOR)
NAW
Stand der Technologie: Materialien
5
Kandidaten für das Material
sind schon identifiziert und
werden laufend verbessert.
*
mechanische Stabilität
bleibt auch nach langer Neutronenbestrahlung erhalten
*
niedrige Aktivierung der
Materialien zur Vermeidung großer
und langlebiger Abfallmengen.
MANET-II
OPTIFER
EUROFER-97
F82H-mod
EUROFER ref.
FE
4
10
3
10
Surface Gamma Dose Rate [Sv/h]
Insbesondere zwei Anforderungen
müssen erfüllt sein:
10
2
10
1
10
0
10
-1
10
High Level Waste
-2
Remote Recycling Level
10
Medium Level Waste
-3
10
-4
Low Level Waste
10
-5
Hands-on Level
10
-6
10
-7
10
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Time after Irradiation [y]
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;