Kernfusion

Energieproblematik

EnergieverbrauchPrimärenergieverbrauch 2004 sortiert nach Energieträgern

37%

13%11%

22%

13%

1% 3%

Mineralöl Steinkohle Braunkohle Naturgase Kernenergie Wasser/Wind Sonstige

Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit

Energieverbrauch

Entwicklung des Rohölpreises

10152025303540

1990 1995 2000 2005

Jahr

$ / b

arre

l

Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit

Klimawandel

CO2-Emissionen

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Mio

t

8809009209409609801.0001.0201.040

Welt Deutschland

Grafik basiert auf Daten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit

Klimawandel (IPCC)

Lösungsansätze• Regenerative Energieträger fördern

– Eingeschränktes Potential• Atomenergie

– Gefahr, Entsorgungsproblem• Mittelfristig: Kohle und CO2-Sequestrierung• Energieeffizienz und Verbrauchsreduktion• Langfristig: Die Kernfusion

– treibgasarm– unerschöpflich– vergleichsweise ungefährlich

Grundlagen der Fusion

Bindungsenergie

Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

2,8 MeV

8,8 MeV

1,1 MeV

7,1 MeV

Coulombbarriere

1 fm1 fm

ca. 500 keV (H-1)

EnergieverteilungW

ahrs

chei

nlic

hkei

t

Energie

Fusionsreaktionen

Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

Fusionsreaktionen

Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

Fusionsreaktionen

Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

Plasma

Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

Zündbedingung

Mit freundlicher Genehmigung des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik (IPP)

Fusionstechnik

Magnetischer Einschluss• Vermeidung des

Kontaktes zwischen Plasma und Wand Abkühlung

• Beschleunigung der Ionen und Elektronen

• Wärmeisolierter Einschluss

• Lenkung des Plasmas durch Magnetfelder

• Bevorzugt ringförmige Felder

Tokamak

• Überlagerung zweier Magnetfelder

• Toroidal(in Form eines Torus)

• Poloidal(schraubenförmig)

• Transformatorspule erzeugt Plasmastrom, arbeitet gepulst

Stellarator

• Dauerbetrieb möglich• Ausschließlich äußere

(sog. nicht-ebene) Spulen

• Kein Transformator• Computeroptimierte

Spulengeometrie• Technisch einfache

Kraftwerkvariante

Plasmaentladungen

Stöße und Verunreinigungen

• Fusion geschieht durch Stöße• Stöße ändern die Bahn der Teilchen

– Guter Einschluss benötigt; großer Reaktor– Fremdatome gelangen ins Plasma:

Verunreinigung, Abstrahlung• Lösungen

– Magnetischer Einschluss– Verständnis der Plasma-Wand-Wechselwirkung– Materialforschung

Plasmaheizung• Stromheizung• Plasma ist leitfähig

und besitzt einen Widerstand

• Transformator induziert Strom

• Plasma wie Sekundärwicklung

• Pulsweise einige Millionen Ampere

Plasmaheizung• Hochfrequenzheizung• Eigenschwingung der

Elektronen und Ionen• Resonante Anregung

durch elektromagn. Wellen möglich

• Energie wird durch Stöße weitergegeben

• Zyklotronfrequenz geeignet

PlasmaheizungNeutralteilcheninjektion• Ionen werden

beschleunigt• Zur Vermeidung von

Ablenkung: Neutralisation

• Schnelle Teilchen (ca. 1000 km/s) geben Energie durch Stöße ab

Plasmabegrenzung

• Entfernung von Helium und Verunreinigungen notwendig

• Limiter• Magnetischer Limiter• Divertor

Weitere Elemente

• Supraleitende Spulen• Blanket: In späteren Experimenten zur

Absorption der Energie der Neutronen• Brennstoffnachfüllung, Pellet-Injektion• Plasmadiagnostik

– Temperatur– Dichte– Magnetfeld– Verunreinigungen

Materialforschung

• Forschungsprogramme zur Verbesserung der Materialien unter extremen Bedingungen

• Integriertes Projekt der Europäischen Union und europ. Forschungs- / Industriekonsortium am IPP: ExtreMat

• Besondere Eigenschaften wie Wärmeabfluss

Fusionsforschung

Die Anfänge• 1930er: Erforschung durch Rutherford, Bethe

und Weizsäcker• 1950 Wasserstoffbombe (unkontrollierte

Kernfusion), Ablehnung der Fusion• 1958 Genfer Konferenz zur Kernenergie, großes

Interesse• Erforschung durch USA, UdSSR, Großbritannien

und Frankreich, später auch andere• Zunächst auch Erforschung der Trägheitsfusion

durch USA und Frankreich, jedoch aufwendiger

Deutschland

• Max-Planck-Institut für Plasmaphysik– 1960 Gründung in Garching– 1961 Assoziation mit der EURATOM– Tokamaks „ASDEX (Upgrade)“– Stellaratoren „Wendelstein (7-X)“– 1994 Teilinstitut Greifswald

• Forschungszentrum Jülich: TEXTOR• Forschungszentrum Karlsruhe: TOSKA

JET

• „Joint European Torus“ (Betrieb seit 1984)• Europäisches Gemeinschaftsprojekt in

Culham, Großbritannien• Größter Tokamak der Welt• Nahe an den Zündungsbedingungen• Europäische Technologieplanungsgruppe

EFDA (European Fusion Development Agreement)

Außerhalb Europas• USA

– Tokamak-Experiment DIII-D– Trägheitsfusion

• Frankreich– Tore Supra, Cadarache: Tokamak mit supraleitenden

Spulen• Japan

– Tokamak JT-60 überschreitet seit 1996 das Energieäquivalent

– JFT-2M zur Unterstützung von ITER– SSTR: Erforschung längerer Tokamak-Betriebszeiten

ITER

Das Projekt• ITER: Internationaler Thermonuklearer Experimental-

Reaktor (lat. „der Weg“)• Soll zeigen: Energieerzeugung durch brennendes

Plasma möglich; Erreichen der Zündung durch größere Apparatur

• Erforschung hochenergetischer Plasmen• Partner: EU, USA, Russland, China, Japan, Südkorea• Bauzeit 10 Jahre, Plasmaerzeugung ab 2016• Begleitend (inter-)nationale Forschung wie JET,

International Fusion Materials Irradiation Facility (IMFIF)• 30 Jahre Planungs-, Bau- und Betriebszeit, danach

DEMO

Geschichte• 1970er: Nationale Fusionsprogramme, Bau großer

Tokamak-Anlagen• Notwendigkeit der Zusammenarbeit zwischen UdSSR

und USA• 1985/86 Supermächte-Gipfel in Genf: Initiative von

Gorbatschow, Reagan und Mitterand: Gemeinsam nächster Schritt: UdSSR, USA, Europa, Japan

• Partner: Europa, Japan, Russland, USA, China• Seit 1988 EU, Japan, Russland, USA• 1997 Ausstieg der USA: Zweifel an der Zümdung,

Kosten; Abweisung, Neuplanung in kleinerer Größenordnung

• Seit 2003 China, Südkorea, wieder USA

Rahmendaten• Investitionskosten 4,6 Mrd EUR• Betriebskosten jährlich 265 Mio EUR• EU 50%, andere Partner je 10 %• 500 Megawatt Fusionsleistung• Energiegewinnungsfaktor von 10

(Plasmaheizung : Fusionsenergie)• 600 Wissenschaftler, Ingenieure, Techniker• 1 g Brennstoff soll 90000 KWh Energie (11 t

Kohle) liefern• 400 Sekunden Dauerbetrieb

Aktuelle Ereignisse

• Standortstreit: Juni Entscheidung für Cadarache (EU, Russland, China), gegen Rokkasho (Japan, USA, Südkorea)

• EU kommt Japan entgegen– Personal, Direktor– Aufträge ITER und weitere Projekte wie eine

Materialtestanlage– DEMO

• Indien strebt Beteiligung an

DEMO

Das Fusionskraftwerk

• DEMO als Kraftwerk-Demonstrationsanlage

• Nachfolgeprojekt zu ITER• Geschätzte 50 Jahre bis zur wirtschaftlich

nutzbaren Energie• Standort: wahrscheinlich Japan

Wirkungsweise

• Bei der Fusion freigewordene Energie und Teilchen insbesondere schnelle Neutronen heizen das „Brutblanket“

• Wärmetransport durch Helium• Angeschlossenes Wärmekraftwerk

Sicherheit und Umwelt

• Betrieb ist vor Katastrophen geschützt• Radioaktiver Abfall

– Wände des Plasmagefäßes– Zwischenlagerung notwendig– Radioaktivität nach 100 Jahren auf ein

zehntausendstel reduziert• Entwicklung von effizienten

Rezyclierungsverfahren– Ziel: Nach 100 Jahren kein Abfall mehr zu isolieren,

statt dessen freigegeben bzw. in neuen Kraftwerken

Sozioökonomische Faktoren• Stromkosten noch nicht abschätzbar• ITER gibt einen guten Maßstab für zukünftige

Kraftwerkskosten• Modellierungen des Energiemarktes

– Eindringen in den europäischen Energiemarkt möglich

– Bedingung: Senkung des CO2-Ausstoßes– Fusion ab 2050– 20-30% Marktanteil im Jahr 2100– Hauptkonkurrenz: Kohle und Kernspaltung– Bedienung der Grundlast, im Unterschied zu– Regenerative unstetig, daher speicherabhängig

Fusion und Nachhaltigkeit

• Auf lange Sicht Bedienung der Grundlast• Möglichkeit des Wasserstoffkreislaufs

– Wasserstofffusion zur Erzeugung von Wasserstoff (o. ä.) als Energieträger

– Mobile Anwendungen wie Fahrzeuge mit Verbrennungs- oder Brennstoffzellenantrieb

• Unabhängiger und CO2-neutraler Energiekreislauf

Verzeichnis der Quellen• IPP• www.ipp.mpg.de• ITER

www.iter.org• Cadarache

www.itercad.org• JET

www.jet.efda.org• Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit• Bundesministerium für Umwelt• Physik-Journal• IPCC