Ferienakademie 18.09.11 - 30.09.11

Kernfusion

von Matthias

Dodenhöft

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Inhalt

1. Geschichte der Kernfusion

2. Physikalische Grundlagen

3. Kernfusion auf der Sonne

4. Kernfusion auf der Erde

4.1 Umsetzung

4.2 Tokamak

4.3 Stellarator

5. Ausblick

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1. Entwicklung der Kernfusion

• 1919 Entdeckung durch Ernest Rutherford

• 1928 Deutung mithilfe der Quantenmechanik

• Kernfusion als Energiequelle der Sonne

• 1934 erste künstliche Fusion von Deuterium und Tritium zu Helium

• Zuerst militärische Waffenentwicklung

1952 Zündung einer Wasserstoffbombe

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Wasserstoffbombe Ivy Mike

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Entwicklung der Kernfusion

• 1. Forschungsprojekt nach dem 2. Weltkrieg

• Entwicklung von zwei Varianten: Stellarator (USA) und Tokamak (UdSSR)

• 1983 startet die Versuchsanlage JET (Joint European Torus)

• Nachfolger: ITER - Fertigstellung 2018 geplant

• Baukosten ca. 5 Milliarden Euro

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Größenvergleich JET und ITER

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Entwicklung der Reaktoren

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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 in Garching: Wendelstein 7-AS (1988-2002)

• Berechnung der Konfiguration für die Magnetfelder mit Supercomputern

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Zukunftsvision von 1957

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Inhalt

1. Geschichte der Kernfusion

2. Physikalische Grundlagen

3. Kernfusion auf der Sonne

4. Kernfusion auf der Erde

4.1 Umsetzung

4.2 Tokamak

4.3 Stellarator

5. Ausblick

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Physikalische Grundlagen der Kernfusion

„Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile”

(von Aristoteles)

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Massendefekt beim 4He Kern

mp = 1,67262 ∙ 10-27 kg

mn = 1,67493 ∙ 10-27 kg

2mp + 2mn = 6,69510 ∙ 10-27 kg

Aber genaue Massenbestimmung ergibt:

m4He = 6,644656 ∙ 10-27 kg

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Bindungsenergie

ΔE = Δm ∙ c² ΔE = 28,3 MeV

Für jedes Nukleon bei 4He : ΔE ≈ 7,1 MeV

Bei jedem Element verschieden

Wert zwischen 7 und 9 MeV (Außer bei sehr leichten Atomkernen)

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Bindungsenergie pro Nukleon verschiedener Elemente

Kernfusion Kernspaltung

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Grundkräfte der Physik

Kraft Charakteristik Reichweite

Gravitationskraft

immer anziehend

unendlich

Elektromagnetische Kraft

anziehend oder abstoßend

unendlich

Schwache Kernkraft

Auftreten bei radioaktiven Zerfällen, Umwandlung von

Protonen in Neutronen

weniger als 10−15 m

Starke Kernkraft

Zusammenhalt der Protonen im Atomkern

ca. 2,5·10−15 m

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Wirkende Kräfte

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Zu überwindender Coulombwall

• Abstoßende Coulombkraft

• Faustformel für die Höhe des Coulombwalls

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Potential der Teilchenbewegung

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Begriff des Plasmas

gewöhnliches Gas Plasma

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Inhalt

1. Geschichte der Kernfusion

2. Physikalische Grundlagen

3. Kernfusion auf der Sonne

4. Kernfusion auf der Erde

4.1 Umsetzung

4.2 Tokamak

4.3 Stellarator

5. Ausblick

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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 ∙ 1016 Pa, Temperaturen von 14,8 Millionen Kelvin

• Im Kern findet die Fusion statt

• Umwandlung von 4,3 Millionen Tonnen Materie in Energie (pro Sekunde!!)

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Kernfusion auf der Sonne

• Wasserstoffbrennen (Wasserstoff Helium)

• mehrere verschiedene Fusionsprozesse

• Proton-Proton Fusion

• CNO-Zyklus

(3,4·108 Jahre)

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Proton-Proton Reaktion

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CNO-Zyklus (1939)

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Inhalt

1. Geschichte der Kernfusion

2. Physikalische Grundlagen

3. Kernfusion auf der Sonne

4. Kernfusion auf der Erde

4.1 Umsetzung

4.2 Tokamak

4.3 Stellarator

5. Ausblick

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Fusionsmaterial

• Kernfusion wie auf der Sonne:

zu langsam und zu viel Gammastrahlung

• Erde: Fusion von Deuterium und Tritium

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Blanket

• Soll innere Wand des Plasmagefäßes bedecken

• Dicke: 1m

• Bremst die Fusionsneutronen ab

Energieabfuhr über Kühlmittel (Helium)

• Besteht teilweise aus Lithium

Erbrüten des Tritiums

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Blanket

• Aber: Neutronenverluste!

• Be oder Pb „Neutronenvermehrer“

• Zusätzlich: Abschirmung vor Neutronen

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Stromerzeugung

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Fusionsbedingungen

• Problem: sehr hohe Temperaturen

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Der Einschluss des Plasmas

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Magnetischer Einschluss

• Toroidales Magnetfeld lenkt Ionen im Plasma auf Bahnen

• Aber: Magnetfeld inhomogen Drift

• Vertikales zweites Feld kompensiert Drift der Ionen (poloidal)

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Spulenmaterial

• Sehr hohe Belastungen

• Heute: normalleitende Kupferspulen

• Zukunft: supraleitende Spulen

weniger Energieverbrauch!

Kühlung mit Helium

• Material: Niob-Titan oder Niob-Zinn

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Spulenquerschnitt

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Verunreinigungen im Plasma

• Wenige der Stöße im Plasma führen zur Fusion

• Aber: es kommt zu Energieverlusten (Ionen wandern nach außen)

• Atome der Gefäßwand gelangen ins Plasma

kühlen das Plasma ab (Verunreinigungen)

• Konzentration der Verunreinigung muss gering sein

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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 Helium 39

Divertor und Limiter

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Plasmagefäß

• Vakuumdicht (Drücke < 10-8 mbar)

Edelstahl

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Aufheizen des Plasmas

Elektrisches Aufheizen: Widerstand des Plasmas Wärmezunahme bei Stromfluss Nur bis 20-30 Millionen Kelvin

Hochfrequenzheizung: Anregung der Ionen (Resonanzfrequenz)

Magnetische Kompression: Zusammenpressen des Plasmas (adiabatisch) Erwärmung

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Aufheizen des Plasmas

Neutralteilchen-Einschuss: Stöße mit Plasma Ionisation und Energieabgabe

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Brennstoff nachfüllen

Neutralteilchen-Einschuss

Gaseinlass am Gefäßrand

Pelletinjektion (max. 1200m/s)

gefrorene Deuterium Kügelchen

wichtiges Steuerungselement

erleichtert Zündung

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4.2 Tokamak

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ITER

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4.3 Stellarator

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Inhalt

1. Geschichte der Kernfusion

2. Physikalische Grundlagen

3. Kernfusion auf der Sonne

4. Kernfusion auf der Erde

4.1 Umsetzung

4.2 Tokamak

4.3 Stellarator

5. Ausblick

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Vorteile gegenüber der Kernspaltung

Rohstoffe unerschöpflich vorhanden

Keine langlebigen radioaktiven Produkte

Sicherer als Kernspaltung

Aber: Errichtung eines Fusionskraftwerks sehr teuer

Gute Chancen in der Zukunft

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Was fehlt noch?

Materialentwicklung (Wände)

Bau großer supraleitender Magneten

Dauerbetrieb des Tokamaks

Kraftwerk muss Mindestgröße besitzen

geeignet für Industrieländer

Frühestens 2050 effiziente Fusion

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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 für Plasmaphysik

• [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 Verlag

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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 zuvor aufgeführten Quellen entnommen

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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