Der Weg zu einem Fusionskraftwerk - Max-Planck-Institut für ...
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Standort Greifswald<br />
Günther Hasinger<br />
18. Februar 2010<br />
EURATOM<br />
<strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong><br />
<strong>für</strong> Plasmaphysik<br />
Die Zukunft der Energie -<br />
<strong>Der</strong> <strong>Weg</strong> <strong>zu</strong> <strong>einem</strong><br />
<strong>Fusionskraftwerk</strong><br />
Vielen Dank an meine Kollegen, v.a. S. Günter, H. Zohm, und J. Roth <strong>für</strong> etliche Folien<br />
Standort Garching
Inhalt<br />
� Astrophysikalische Randbedingungen<br />
� Stand der Fusionskraft<br />
� Beitrag <strong>zu</strong>r Energie der Zukunft<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 2
Inhalt<br />
� Astrophysikalische Randbedingungen<br />
� Stand der Fusionskraft<br />
� Beitrag <strong>zu</strong>r Energie der Zukunft<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 3
Urknall<br />
<strong>Der</strong> kosmologische Zeitplan<br />
Quantenfluktuationen des Raumes<br />
Heute<br />
13.7 Mrd Jahre<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 4
<strong>Planck</strong>-Zeit<br />
Kosmische Temperatur<br />
Quark-Gluonen-Suppe<br />
Inflation<br />
Unterkühlung<br />
LHC<br />
Genf<br />
Protonen frieren aus<br />
Alter des Universums<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 5<br />
Heute
Ausfrieren von Quarks und Gluonen<br />
Animation: Marias Chatzikos, Charlottesville<br />
Fast die gesamte Masse der Baryonen steckt in der<br />
Energie, die die Quarks <strong>zu</strong>sammenhält: Kernenergie<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 6
<strong>Planck</strong>-Zeit<br />
Kosmische Temperatur<br />
Quark-Gluonen-Suppe<br />
Inflation<br />
Unterkühlung<br />
Protonen frieren aus<br />
Kernfusion<br />
Alter des Universums<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 7<br />
Heute
Primordiale Fusion:<br />
“Rettung“ der Elemente<br />
Die Lebensdauer freier Neutronen ist 11 Minuten.<br />
Aufgrund einer glücklichen Fügung hat das Universum<br />
in seinen ersten drei Minuten alle freien Neutronen in<br />
Elemente eingebaut und <strong>für</strong> die Nachwelt konserviert!<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 8
Entstehung und Entwicklung von Sternen<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 9
Energie aus der Bindung der Atomkerne: E=mc 2<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 10
Das „Sonnenfeuer“ auf der Erde<br />
Wirkungsquerschnitt<br />
<strong>Fusionskraftwerk</strong><br />
Sonne<br />
Energie<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 11
Inhalt<br />
� Astrophysikalische Randbedingungen<br />
� Stand der Fusionskraft<br />
� Beitrag <strong>zu</strong>r Energie der Zukunft<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 12
Plasmaphysik: Magnetischer Einschluss<br />
Hasinger Urania 18.2.2010<br />
SOHO/ESA<br />
TRACE/NASA<br />
13
Magnetischer Einschluss IV: Tokamak und Stellarator<br />
Tokamak Stellarator<br />
ASDEX Upgrade, Garching<br />
Wendelstein 2-A, Deutsches Museum<br />
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ASDEX Upgrade und sein Team<br />
Hasinger Urania 18.2.2010<br />
15
<strong>Der</strong> ASDEX Upgrade Tokamak in Garching<br />
16 Hasinger Urania 18.2.2010<br />
Röntgenstrahlung<br />
(200 Mio. Kelvin)
Tokamaks und Stellaratoren<br />
Tokamaks<br />
ASDEX Upgrade<br />
Garching<br />
Stellaratoren<br />
Wendelstein 7-AS<br />
Garching<br />
Hasinger Urania 18.2.2010<br />
JET<br />
Culham<br />
ITER<br />
Cadarache<br />
Wendelstein 7-X<br />
Greifswald<br />
Mensch<br />
DEMO<br />
17
Wendelstein 7-X: Idee - Design - Konstruktion<br />
Hasinger Urania 18.2.2010<br />
18
Besuch der Bundeskanzlerin am 1.2.2010 in Greifswald<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 19
Das Tripelprodukt der Fusion: ρ τ T<br />
Energie �<br />
Hasinger Urania 18.2.2010<br />
20
ITER Kryostat<br />
~28 m Höhe x<br />
29 m Durchmesser<br />
Jefferson Memorial (Washington DC)<br />
~29 m Höhe<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 21
IITER @ Cadarache<br />
(… 1999; 2003) (2003)<br />
(2005)<br />
Joint work sites:<br />
Garching, Naka, San Diego<br />
ITER-Standort: Cadarache<br />
(2003)<br />
>50% der Weltbevölkerung und >80% des GDP<br />
Größtes und komplexestes Wissenschaftsprojekt<br />
Deutliche Kosten-Erhöhung: ca. 6 Mrd. € f. EU<br />
ITER ist DAS Schlüsselexperiment<br />
Rolle Deutscher <strong>Institut</strong>e ist essentiell<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 22
ITER: Internationale Aufteilung<br />
- Hohe Komplexität des Projektes durch „in kind“ Beiträge der internationalen Partner<br />
- Europa: Gebäude, Kessel und Spulen: alle sehr früh notwendig (Dezember 2019)<br />
- Trotz Kostenerhöhungen und Zeitverzögerung: Volle Unterstüt<strong>zu</strong>ng des EU Rat<br />
- VEs <strong>für</strong> Überbrückungsphase 2012 & 2013 und mehr Geld <strong>für</strong> FP8 notwendig.<br />
ITER ist auch Forschung <strong>für</strong> den Frieden !<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 23
<strong>Der</strong> nächste große Schritt: DEMO<br />
Ziele <strong>für</strong> das Demonstrationskraftwerk DEMO:<br />
• Soll Lösungen <strong>für</strong> alle Physik- und<br />
Technologiefragen demonstrieren<br />
• Soll die ökonomische Machbarkeit der<br />
Fusionsenergie beweisen<br />
• Soll großskalige Elektrizitätserzeugung<br />
mit eigenem Brennstoffzyklus<br />
DEMO: kein Experiment sondern ‚Punkt-Design‘<br />
• benötigt validierten ‚Numerischen Tokamak‘<br />
• benötigt qualifizierte Materialien <strong>für</strong> Lizenz<br />
Bisher existiert kein detailliertes DEMO Design<br />
• nötig: so früh wie möglich eine substantielle<br />
DEMO Design-Aktivität <strong>zu</strong>r Definition der<br />
Physik- und Technologie-Entwicklung !<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 24
Komponenten eines Demonstrationskraftwerkes DEMO<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 25
Herausforderungen <strong>für</strong> ein <strong>Fusionskraftwerk</strong><br />
Lithium<br />
compound<br />
Magnete<br />
Erste Wand<br />
Strukturmaterialien<br />
Plasma<br />
Brutmantel<br />
Kühlkreisläufe und Generator<br />
Fusions-specifische<br />
Hilfsapparaturen<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 26
<strong>Der</strong> <strong>Weg</strong> <strong>zu</strong> <strong>einem</strong> <strong>Fusionskraftwerk</strong><br />
Plasmaphysics<br />
Facilities<br />
Technologies<br />
Tokamak Physics<br />
Stellarator-Physics (Wendelstein 7-X)<br />
ITER<br />
14 MeV Neutron Source<br />
ITER-relevant technologies<br />
DEMO-relevant technologies<br />
DEMO<br />
First Power<br />
Production<br />
First commercial fusion<br />
power station<br />
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 27
Inhalt<br />
� Astrophysikalische Randbedingungen<br />
� Stand der Fusionskraft<br />
� Beitrag <strong>zu</strong>r Energie der Zukunft<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 28
Das Energie-Dilemma<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 29
Millionen Menschen<br />
Globales Bevölkerungswachstum<br />
Wachstum in<br />
Entwicklungsländern<br />
Stagnation oder<br />
Rückgang in entwickelten<br />
Ländern<br />
10 Milliarden Menschen<br />
mit 3 kW/Kopf benötigen<br />
30 TW Primärenergie!<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 30
Konsequenz der CO 2 -Emissionen<br />
2012<br />
2050<br />
2100<br />
J. Lowe et al., Science 2009<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 31
Globale Energiemodelle (EMF-22): 10 Gruppen, 100 Modelle<br />
CCS<br />
CCS<br />
CCS<br />
solar<br />
Möglichst frühzeitiger Beitritt <strong>zu</strong>m globalen Emissionshandel erforderlich<br />
Neue Energie-Technologien > 2030 dringend notwendig; CO 2-Preis 500$/t<br />
Clarke, Edmonds, Krey, Richels, Rose, Tavoni; Energy Economics 31, S64 (2009)<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 32
Energy Modeling Forum (EMF-22)<br />
„Pessimistic“ (Late admission, late technology) scenario<br />
„Business 450ppmv „Overshoot“ as usual“ Szenario: +4-6° +2° C in 2100<br />
Renewable<br />
Hydro<br />
Nuclear<br />
Bio CCS<br />
Biomass<br />
Gas CCS<br />
Gas<br />
Oil<br />
Coal<br />
Solar<br />
Fusion (> 2050)<br />
CCS<br />
CCS<br />
Exhausts CCS storage capacity & fission fuel, req. 4000 new nuclear plants<br />
Krey, V. & Riahi, K.; Energy Economics 31, S94 (2009)<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 33
EMF-22 Szenarien: Globale Stromerzeugung<br />
Globaler Strombedarf wächst bis 2100 etwa um einen Faktor 6;<br />
nuklearer Anteil etwa um einen Faktor 8<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 34
EMF-22 Szenarios: nuklearer Anteil der Stromversorgung<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 35
Vorteile der Fusionsenergie<br />
� Brennstoffvorrat fast unbeschränkt und <strong>für</strong> alle Nationen verfügbar<br />
• Deuterium (D aus Wasser) und Lithium (Li aus Steinen und Meerwasser)<br />
• Eine Badewanne Wasser und eine Laptop-Batterie = Familie Strom <strong>für</strong> 50 Jahre<br />
• Praktisch unbegrenzte Vorräte<br />
� Vorteile <strong>für</strong> die Umwelt: Clean Energy!<br />
• Keinerlei CO 2 Emissionen<br />
• Mittlere bis niedrige radioaktive Belastung, kein Endlagerproblem<br />
• Unfall- und Verunreinigungsrisiko minimal<br />
� Keine Explosionsgefahr, keine Kernschmelze<br />
•
Die Ressourcen <strong>für</strong> die Kernfusion sind nahe<strong>zu</strong> unbegrenzt<br />
Hasinger Urania 18.2.2010<br />
Das Deuterium aus einer Badewanne voll Wasser und das Lithium<br />
aus einer verbrauchten Laptop-Batterie reichen <strong>für</strong> die<br />
Stromerzeugung <strong>für</strong> eine Familie über einen Zeitraum von 50 Jahren.<br />
37
Fusion benötigt keine geologische Endlagerung<br />
Curie/Watt (Thermische Leistung)<br />
1<br />
10 -2<br />
10 -4<br />
10 -6<br />
10 -8<br />
10 -10<br />
1<br />
Fusion:<br />
Vanadium<br />
Legierungen<br />
Fusion:<br />
Siliziumkarbid<br />
Komposite<br />
10<br />
Kohleasche<br />
ohne Lagerproblematik<br />
100<br />
Jahre nach Stilllegung<br />
Kernspaltung:<br />
Leichtwasser-Reaktor<br />
Fusion:<br />
Reduzierte Aktivierung<br />
Ferritische Stähle<br />
1,000<br />
10,000<br />
Hasinger Urania 18.2.2010 Robert Goldston, PPPL 38
Warum dauert die Fusion so lange ?<br />
Ein wichtiger Grund: Die Finanzierung der großen Maschinen ist viel langsamer, als<br />
ursprünglich erhofft!<br />
� wir brauchen eine Art „Apollo-Programm“!<br />
Hasinger Urania 18.2.2010<br />
Kohlesubvention (D)<br />
Einspeisungsabgabe<br />
Erneuerbare Energien (D)<br />
fast track<br />
slow track<br />
39
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