Kernfusion - Institut für Theoretische Physik I

1. Entwicklung der Kernfusion• 1919 Entdeckung durch Ernest Rutherford• 1928 Deutung mithilfe der Quantenmechanik• Kernfusion als Energiequelle der Sonne• 1934 erste künstliche Fusion von Deuteriumund Tritium zu Helium• Zuerst militärische Waffenentwicklung1952 Zündung einer Wasserstoffbombe3

Entwicklung der Kernfusion• 1. Forschungsprojekt nach dem 2. Weltkrieg• Entwicklung von zwei Varianten: Stellarator(USA) und Tokamak (UdSSR)• 1983 startet die Versuchsanlage JET (JointEuropean Torus)• Nachfolger: ITER - Fertigstellung 2018 geplant• Baukosten ca. 5 Milliarden Euro5

Größenvergleich JET und ITER6

Entwicklung der Reaktoren7

Entwicklung der Kernfusion• Tokamak ist führender Experimenttyp• ABER: Stellarator noch nicht aufgegeben• Bau von Wendelstein 7-X in Greifswald (2014)• Max-Planck- Institut für Plasmaphysik inGarching: Wendelstein 7-AS (1988-2002)• Berechnung der Konfiguration für dieMagnetfelder mit Supercomputern8

Zukunftsvision von 19579

Inhalt1. Geschichte der Kernfusion2. Physikalische Grundlagen3. Kernfusion auf der Sonne4. Kernfusion auf der Erde4.1 Umsetzung4.2 Tokamak4.3 Stellarator5. Ausblick10

Physikalische Grundlagen der Kernfusion„Das Ganze ist mehr als dieSumme seiner Teile”(von Aristoteles)11

Massendefekt beim 4 He Kernmp = 1,67262 ∙ 10 -27 kgmn = 1,67493 ∙ 10 -27 kg2mp + 2mn = 6,69510 ∙ 10 -27 kgAber genaue Massenbestimmung ergibt:m 4 He = 6,644656 ∙ 10 -27 kg12

BindungsenergieΔE = Δm ∙ c² ΔE = 28,3 MeVFür jedes Nukleon bei 4 He : ΔE ≈ 7,1 MeV Bei jedem Element verschiedenWert zwischen 7 und 9 MeV (Außer bei sehrleichten Atomkernen)13

Bindungsenergie pro Nukleon verschiedenerElementeKernfusionKernspaltung14

Grundkräfte der PhysikKraft Charakteristik ReichweiteGravitationskraft immer anziehend unendlichElektromagnetische Kraft anziehend oder abstoßend unendlichSchwache KernkraftAuftreten bei radioaktivenZerfällen, Umwandlung vonProtonen in Neutronenweniger als 10 −15 mStarke KernkraftZusammenhalt der Protonenim Atomkernca. 2,5·10 −15 m15

Wirkende Kräfte16

Zu überwindender Coulombwall• AbstoßendeCoulombkraft• Faustformel für dieHöhe desCoulombwalls17

Potential der Teilchenbewegung18

Begriff des Plasmasgewöhnliches GasPlasma19

Inhalt1. Geschichte der Kernfusion2. Physikalische Grundlagen3. Kernfusion auf der Sonne4. Kernfusion auf der Erde4.1 Umsetzung4.2 Tokamak4.3 Stellarator5. Ausblick20

Kernfusion auf der Sonne• 92% der Atome sind Wasserstoff; 7,9% Helium• Kern: 1,6% des Volumens, 50% der Masse• Im Zentrum: herrschender Druck 2 ∙ 10 16 Pa,Temperaturen von 14,8 Millionen Kelvin• Im Kern findet die Fusion statt• Umwandlung von 4,3 Millionen TonnenMaterie in Energie (pro Sekunde!!)21

Kernfusion auf der Sonne• Wasserstoffbrennen (Wasserstoff Helium)• mehrere verschiedene Fusionsprozesse• Proton-Proton Fusion• CNO-Zyklus(3,4·10 8 Jahre)22

Proton-Proton Reaktion23

CNO-Zyklus (1939)24

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Fusionsmaterial• Kernfusion wie auf der Sonne: zu langsam und zu viel Gammastrahlung• Erde: Fusion von Deuterium und Tritium26

Blanket• Soll innere Wand des Plasmagefäßes bedecken• Dicke: 1m• Bremst die Fusionsneutronen ab Energieabfuhr über Kühlmittel (Helium)• Besteht teilweise aus Lithium Erbrüten des Tritiums27

Blanket• Aber: Neutronenverluste!• Be oder Pb „Neutronenvermehrer“• Zusätzlich: Abschirmung vor Neutronen28

Fusionsbedingungen• Problem: sehr hohe Temperaturen31

Der Einschluss des Plasmas32

Magnetischer Einschluss• Toroidales Magnetfeld lenkt Ionen im Plasmaauf Bahnen• Aber: Magnetfeld inhomogen Drift• Vertikales zweites Feld kompensiert Drift derIonen (poloidal)33

Spulenmaterial• Sehr hohe Belastungen• Heute: normalleitende Kupferspulen• Zukunft: supraleitende Spulen weniger Energieverbrauch! Kühlung mit Helium• Material: Niob-Titan oder Niob-Zinn34

Spulenquerschnitt36

Verunreinigungen im Plasma• Wenige der Stöße im Plasma führen zur Fusion• Aber: es kommt zu Energieverlusten (Ionenwandern nach außen)• Atome der Gefäßwand gelangen ins Plasma kühlen das Plasma ab (Verunreinigungen)• Konzentration der Verunreinigung muss geringsein37

Plasmabegrenzung• Einbau von Limitern Material mit niedriger Ordnungszahl• Magnetische Limiter kein direkter Wandkontakt besserer Einschluss• Divertor Verunreinigtes Plasma trifft auf Platten Abpumpen von Gas und Helium39

Divertor und Limiter40

Plasmagefäß• Vakuumdicht (Drücke < 10 -8 mbar) Edelstahl41

Aufheizen des Plasmas• Elektrisches Aufheizen: Widerstand desPlasmas Wärmezunahme bei Stromfluss Nur bis 20-30 Millionen Kelvin• Hochfrequenzheizung: Anregung der Ionen(Resonanzfrequenz)• Magnetische Kompression: Zusammenpressendes Plasmas (adiabatisch) Erwärmung42

Aufheizen des Plasmas• Neutralteilchen-Einschuss: Stöße mit Plasma Ionisation und Energieabgabe43

Brennstoff nachfüllen• Neutralteilchen-Einschuss• Gaseinlass am Gefäßrand• Pelletinjektion (max. 1200m/s) gefrorene Deuterium Kügelchen wichtiges Steuerungselement erleichtert Zündung44

4.2 Tokamak46

ITER47

4.3 Stellarator49

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Vorteile gegenüber der Kernspaltung• Rohstoffe unerschöpflich vorhanden• Keine langlebigen radioaktiven Produkte• Sicherer als Kernspaltung• Aber: Errichtung eines Fusionskraftwerkssehr teuer Gute Chancen in der Zukunft53

Was fehlt noch?• Materialentwicklung (Wände)• Bau großer supraleitender Magneten• Dauerbetrieb des Tokamaks Kraftwerk muss Mindestgröße besitzen geeignet für Industrieländer Frühestens 2050 effiziente Fusion54

Quellen:• [1] Physik in unserer Zeit 3 (2007) von Sibylle Günter und Karl Lackner• [2] http://www.leifiphysik.de• [3] Kernfusion Berichte aus der Forschung vom Max-Planck-Institut fürPlasmaphysik• [4] http://www.energie-info-24.de/Kernfusionsreaktor• [5] Physik in unserer Zeit 4 (2006) von Isabella Milch• [6] http://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusion• [7] Experimentalphysik 4 von Wolfgang Demtröder, Springer Verlag55

Abbildungsverzeichnis• [8] (Sonnenbild): http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,288953,00.html• [9] (Wasserstoffbombe): http://www.20min.ch/interaktiv/Atommaechte/usa.html• [10] (Bindungsenergie pro Nukleon)http://www.kernfragen.de/kernfragen/physik/02-Der-Atomkern/2-3-Massendefekt.php#id2657057• Alle weiteren Abbildungen wurden entweder selbst erstellt oder sind einer der zuvoraufgeführten Quellen entnommen56

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!57