BuMa_2010_04 - Deutsche Bunsengesellschaft für Physikalische ...

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ASPEKTE Fusionsprodukt (m -3 s K) ßer ist als die Energie zur Aufheizung des Plasmas. Wir erhalten damit eine Ungleichung analog der des Lawson-Kriteriums Gl. (17 und 18); aber anstelle der Gesamtfusionsenergie von 22,3 MeV nach Gl. (16) dürfen wir hier nur den Energiebetrag einsetzen, der im Plasma verbleibt; das ist die kinetische Energie des 4 He aus Gl. (14); sie ist entsprechend dem Impulssatz nur 1/5 der Gesamtenergie, 4/5 der Energie wird vom ladungsfreien Neutron aus dem Plasma herausgetragen. Im Verlauf der letzten knapp 50 Jahre konnten Temperatur und Fusionsprodukt der Experimente von etwa 2 Mio. K und 2•10 23 m -3 s K (links unten, Moskau) bis auf etwa 500 Mio. K und 8•10 27 m -3 s K (rechts oben, Princeton und Naka (Japan)) gesteigert werden. Mit dem Joint European Torus (JET) in Culham, Großbritannien, an dem fast alle europäischen Staaten beteiligt sind, ist in den letzten Jahren die Zündgrenze fast erreicht worden. ITER wurde seit über einem Jahrzehnt unter Beteiligung von China, den Europäischen Ländern, Indien, Japan, Russland, Südkorea und der USA mit den Erfahrungen, die weltweit und jahrelang mit den Tokamak-Experimenten gesammelt worden sind, geplant; vor einem Jahr haben die Bauarbeiten in Cadarache (Departement Bouches-du-Rhône, nahe Marseille) begonnen, der Versuchsbetrieb soll 2018 aufgenommen werden (vergl. Abb. 13 in Ref. 2). Ein paar Daten mögen die Größe des Versuchsreaktors belegen: Plasmavolumen 840 m 3 , Plasmamasse 500 mg Deuterium-Tritiumgemisch, Plasmatemperatur 100 - 200 Mio. K, Magnetfeld 5,4 Tesla, maximaler Plasmastrom 15 MA. Aus den gegebenen Daten für Plasmavolumen, -Masse und -Temperatur folgt, dass das Zündkriterium schon bei einer Einschlusszeit von etwa 1 sec. erfüllt ist; bei den geplanten vielfach höheren Einschlusszeiten ist also mit Sicherheit zu erwarten, dass das Fusionsgemisch zündet und die Fusion ohne weitere Energiezufuhr aufrecht erhalten werden kann. – Bei einer Fusionsleistung von 0,5 GW (rein rechnerisch folgt aus 140 E29 E27 E25 E23 Wendelstein Abb. 11. Fusionsprodukt (Produkt aus Plasmadichte, -Einschlusszeit und -Temperatur) der Fusionsexperimente seit 1965. Damit das dt-Plasma zündet, müssen Werte im eingezeichneten roten Bereich erreicht werden. JET Garching geplant bis 2002 bis 1986 bis 1977 bis 1965 1 10 100 200 500 Plasmatemperatur (Mio. K) BUNSEN-MAGAZIN · 12. JAHRGANG · 4/2010 den gegebenen Daten eine Leistung von 1,5 GW) soll ein Energiegewinnungsfaktor von etwa 10 erzielt werden, d.h. etwa das zehnfache der zur Plasmaaufheizung aufgewandten Energie wird als Fusionsenergie gewonnen. Mit ITER wird erstmalig auch die Gewinnung von Tritium getestet, das neben dem Deuterium als Fusionsbrennstoff eingesetzt wird. Hierzu ist der Torus umgeben von einem Lithium-haltigen Mantel (Blanket), in dem die energiereichen Neutronen aus Gl. (14), die 80 % der Energie mit sich führen, abgebremst werden und dann in der Reaktion nach Gl. (15) mit 6 Li Tritium bilden. Dieses wird laufend aus dem Blanket ausgespült und – mit Deuterium gemischt – dem Brennstoffkreislauf zugeführt. Mit den Fusionsneutronen alleine ist ein Tritiumbrüten mit Überschuss, der die unvermeidlichen Neutronen- und Verarbeitungsverluste decken könnte, nicht möglich, da die Fusionsreaktion nur genau 1 Neutron pro verbrauchtem Tritiumatom liefert. Deshalb müssen die Neutronen im Blanket um etwa 30 % bis 50 % vermehrt werden. Hierzu eignen sich Beryllium oder Blei, da die (n,2n)-Kernreaktion an diesen Materialien relativ niedrige Energieschwellen hat. Die im Blanket freiwerdende Wärme, das sind knapp 19 MeV je Fusionsereignis (Neutronenenergie aus Gl. (14) + Energie aus Gl. (15)) wird mit Helium abgeführt und über Wärmeaustauscher, Dampferzeuger und Turbogeneratoren in elektrische Energie umgewandelt. – Das Blanket ist von einer abschirmenden Hülle umgeben, die die supraleitenden Magnetspulen und die weitere Ausrüstung gegen Strahlungen aus dem Blanket und dem Plasma schützt. Durch außerhalb des Torus angebrachter Magnetspulen wird das äußere Feld im Torus so verändert, dass Ionen höherer Ladung, also das bei der Fusion entstehende Helium und sonstige Verunreinigungen, z.B. Luft, aus dem Plasma ausgelenkt und auf Prallplatten geleitet werden, wo sie neutralisiert und als normale Gase abgepumpt werden können (Divertoren). Denn wenn diese im Fusionsgas auf zu hohe Konzentration ansteigen, wird der Fusionsprozess gestoppt. Etwa 10 % Luft sind in einem dt-Plasma von 150 Mio. K tolerierbar. Das klingt nicht sehr dramatisch; aber es ist doch eine technische Herausforderung: 500 mg Fusionsgas, also 0,2 Mol in einem Volumen von 837 m 3 haben unter Normalbedingungen einen Druck von 5 mbar; der Luftdruck im Torus darf deshalb 0,5 mbar nicht überschreiten. Diese wenigen Zahlen beleuchten die Anforderungen in Bezug auf die Vakuumdichtigkeit des fast tausend Kubikmeter großen Torus und die Pumpleistung, die zur Aufrechterhaltung des Vakuums erforderlich ist. Hier sind Kryopumpen vorgesehen. Zur Ergänzung von durch die Fusion verbrauchtem Brennstoff kann das D/T-Gasgemisch durch Düsen in den Torus eingeblasen werden; wegen der schnellen Ionisation wird es allerdings nur in den Plasmarandschichten angereichert. Als aussichtsreiche Alternative gilt die schon erprobte Möglichkeit, mgschwere Pellets von gefrorenem D/T-Gemisch mittels Gaska-
DEUTSCHE BUNSEN-GESELLSCHAFT nonen oder Zentrifugen ins Plasma hineinzuschießen. Mit der in Garching entwickelten Pelletzentrifuge können bis zu 80 Pellets je sec. mit Geschwindigkeiten bis zu 1200 m/s ins Plasma injiziert werden. Wegen der langsamen Verdampfung gelangen die Pellets bis zur Plasmamitte – sie werden keinesfalls wie bei der laserinduzierten Fusion infolge des Trägheitseinschlusses explodieren. Auf weitere Einzelheiten soll nicht eingegangen werden; wir wollen jedoch in Abb. 12 die Gesamtgröße des Experimental- Fusions-Reaktors (und damit verknüpft die Größe der technischen Probleme) zeigen: unten rechts im Kreise ist maßstabsgetreu ein Mensch eingezeichnet. ITER ist das weltweit zweitgrößte wissenschaftlich-technische Experiment. Aber Größe hat Ihren Preis. Ursprünglich war ITER mit einer Leistung von 1500 MW geplant. Wegen der immensen Kosten wurde die Planung auf 500 MW reduziert. Bei Vertragsunterzeichnung der teilnehmenden Staaten 2005 lagen die Kostenabschätzungen bei 5 Mrd. € für die Investitionen und nochmals 5 Mrd. € für die zwanzigjährige Betriebsperiode (40 % der Investitionskosten sollen von den Europäern übernommen werden, 10% alleine von Deutschland). Nach jüngsten Schätzungen der Europäischen Kommission liegen die Investitionskosten nunmehr bei 15 Mrd. € – unter anderem Primär- Trafospulen Blanket Toroidalspulen Torusvolumen V: 840 m 3 Fusionsleistung: > 500 MW ASPEKTE wegen gestiegener Rohstoffpreise und neuer Sicherheitsanforderungen. Dazu ein Kommentar der deutschen Presse 19 : „Scheitert eines der größten Forschungsvorhaben der Welt an Geldmangel? ..... die Baukosten explodieren ….. die Bundesregierung geht jetzt auf Distanz zu dem Mega-Projekt ….. Aus dem Forschungsministerium heißt es, die Bundesregierung stehe weiter zur Fusionsforschung – um sich für die Energieversorgung möglichst viele Optionen offen zu halten. „Das gilt aber nicht um jeden Preis“, warnt Ministerin Schavan.“ ITER wird in Bezug auf die Kosten nur noch von der International Space Station (ISS) übertroffen. Aber von ITER erwarten wir praktische Ergebnisse, die wir verwerten können. Bei ISS ist in dieser Hinsicht Skepsis angebracht. PROBLEME DES FUSIONSREAKTORS UND IHRE LÖSUNG Abschließend müssen wir noch einige Themen streifen, die mit dem Betrieb eines Kernfusionskraftwerks zusammenhängen. 19 SPIEGEL ONLINE, 21.05.2010. Abb. 12. Schematische Darstellung des International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Plasmastrom : 15 MA Toroidalfeld : 5,4 T Toroidales Vakuumgefäß Kryopumpe Divertor 141
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