Konzepte von Fusionsreaktortypen, technischer Stand, Entsorgung

Christoff Klinkicht | 7.7.2011 | HS Physik

Inhalt• Tokamak (ITER)

• Zielsetzung• Aufbau• Fusionskraftwerk

• Stellarator (Wendelstein 7-X)• Ziele• Charakteristika

• Verlauf der Fusionsexperimente

• Abfall / Entsorgung

• Quellen / Diskussion

Zielsetzung

• ITER = International thermonuclear experimental reactor (Apronym: lat. „Weg“) nach Tokamak - Prinzip (russ.: Toroidale Kammer im Magnetfeld)

• Technische Machbarkeit + Gebrauchstauglichkeit der Energiegewinnung aus Kernfusion demonstrieren.

• Zehnfache Energieausbeute

• Einsatz von supraleitenden Magnetspulen

• Eigenständige Tritiumerbrütung

• Komplette Fernsteuerung

• Zukunftsweisend für Demonstrationsreaktor DEMO

Daten:

Gesamtradius: 10,7 m

Großer Plasmaradius: 6,2 m

Plasmavolumen: 837 m3

Masse des Plasmas: 0,5 g

Magnetfeld: 5,3 T

Maximaler Plasmastrom: 15 MA

Heizleistung und Strombetrieb: 73 MW

Fusionsleistung: ≈ 500 MW

Mittlere Temp.: 100 Mil. °C

Brenndauer jedes Pulses: > 400 s

Kosten: ≈ 16 Mrd. €

ITER

Vakuumbehälter

Vakuumbehälter• „Doughnutförmiger“ doppelwandiger Behälter aus Edelstahl

• Luftdicht verschlossener Plasmabehälter, in dem Plasmastrom zirkuliert ohne Wände zu berühren

• Wasserkühlung notwendig

• 44 Anschlüsse zum Vakkumbehälter für Fernsteuerung, diagnostische Systeme und externe Heizung

• Erzeugung des Vakuums dauert 24-48h

Blanket

Wendelstein 7-X• Durchmesser der Anlage (über alles): 16 Meter• Höhe (über alles): 5 Meter• Gewicht: 725 Tonnen• Großer Plasmaradius: 5,5 Meter• Mittlerer kleiner Plasmaradius: 0,53 Meter• Plasmavolumen: 30 Kubikmeter• Plasmagewicht: 0,005 - 0,03 Gramm• Magnetfeld (Achse): 3 Tesla• Heizleistung (erste Ausbaustufe): 15 Megawatt• Pulsdauer: Dauerbetrieb für 30 Minuten mit Elektronenzyklotron-Heizung

Blanket• 440 Blanket-Module an Innenwand des Vakuumgefäßes

– 1 x 1,5 Meter, 4,6 Tonnen

• Abschirmung gegen hochenergetische Neutronen, die bei Kernfusion entstehen

• Abbremsen der Neutronen für:– Kühlmittelerwärmung– Tritiumerbrütung

• Erste Wand: Beryllium zweite Wand: Kupfer + Edelstahl

• Sehr Anspruchsvolles Bauteil, besonders Tritiumerbrütung

Magnete

Magnete• 10.000t von supraleitenden Magneten für Plasmaformung/-Eindämmung

• 18 toroidal, 6 poloidal, 1 zentral + Zusatzspulen

• Gekühlt bei 4K: starkes Magnetfeld (13T)

Toroidale Magnetspulen

• Plasmaeinschluss

• 11,8 T

Poloidale Magnetspulen

• Plasmaeinschluss + Plasmaformung + Plasmastabilität

• Feld induziert durch Magnete und Strom

Zentral-Magnet

• Großer Transformator, der Haupt-Plasma-Strom induziert

• Führt Feldlinien in Divertorregion

• Muss hohe Belastungsfähigkeit aufweisen

Stromheizung

Externe Heizung

Externe Heizung• Um Kernfusion einzuleiten muss Wasserstoff-Plasma auf 150 Millionen °C erhitzt

werden

• Ohmsche Heizung

• Neutralteilchen-Einschuss

• Hochfrequente elektromagnetische Wellen für Ionen und Elektronenheizung (40-55MHz bzw. 170 GHz).

Divertor

Divertor• Divertor ist Boden des Vakuumbehälters

• Ist Hauptinterface zwischen Plasma und den Materialoberflächen

• Divertor kontrolliert Heliumabtransport und sonstiger Verunreinigungen

Kryostat

Kryostat• Gesamter Vakuumbehälter in Kryostat (großer Kühlschrank)

• Physische Hülle und Wärmedämmung

Überwachungstechnik

Überwachungstechnik• Überwachung von Plasmaleistung durch 50 Diagnose-Systeme

• Manometer, Bolometer, Neutronen-Kameras, Verunreinigungsaufzeichner, Laser-Streuer

Fusionskraftwerk• Schnelle Heliumkerne geben Energie an Plasma ab

• Selbstheizung

• Entfernen der „Heliumasche“ in Divertor

• Tritiumherstellung im Blanket

• Aufnahme der Neutronen

• Erwärmung des Blanket

• Kühlmittel

• Wärmetauscher

• Turbine + Generator

• Elektrische Energie

Stellarator: Wendelstein Plasma + Spulen

Ziele• Kraftwerkstauglichkeit von Fusionsanlagen des Typs "Stellarator"

• Guter Teilcheneinschluss und Untersuchung des Plasmatransports unter kraftwerks-ähnlichen Bedingungen

• Anwendung effektiver nicht-ohmscher Heizmethoden zur Erzeugung und Aufheizung des Plasmas

• Untersuchung des Verunreinigungstransports und Entwicklung von Methoden zur Verunreinigungskontrolle

• Beta-Werte (*) von 4 bis 5 Prozent sowie Analysen zum Beta-Limit

• Langzeit- bzw. quasi-stationärer Betrieb

• Untersuchung von Plasmanachfüllung, Teilchenkontrolle und Plasma-Wand Wechselwirkung unter Dauerbetriebsbedingungen

• Entwicklung von Methoden zur Kontrolle der Bedingungen am Plasmarand (Divertor)

Wendelstein 7-AS

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X• Durchmesser der Anlage (über alles): 16 Meter• Höhe (über alles): 5 Meter• Gewicht: 725 Tonnen• Großer Plasmaradius: 5,5 Meter• Mittlerer kleiner Plasmaradius: 0,53 Meter• Plasmavolumen: 30 Kubikmeter• Plasmagewicht: 0,005 - 0,03 Gramm• Magnetfeld (Achse): 3 Tesla• Heizleistung (erste Ausbaustufe): 15 Megawatt• Pulsdauer: Dauerbetrieb für 30 Minuten mit Elektronenzyklotron-Heizung

Plasmagefäß

• Ultrahochvakuum: 10-8 Millibar

• Hohe Beanspruchung durch Druck magnetischer Kräfte, die durch lokal induzierte Ströme hervorgerufen werden. Edelstahlgefäß

• Zahlreiche Öffnungen und Stutzen (>250)

Divertor

• Begrenzung des Plasmaschlauchs auf magnetische Weise

• Kein zusätzliches Magnetfeld nötig

• Energie + Teilchen laufen auf Ausläuferzonen zu

• Schutz durch Prallplatten Verunreinigungs- und

Dichtekontrolle

Brennstoffnachfüllung• Durch Divertor: Verlust von Brennstoff

• 3 Methoden zur Nachfüllung:– Gaseinblasen– Neutralteilcheninjektion– Pelletinjektion

• Veränderung des Dichteprofils des Plasmas

Plasmaentladungen• Zunächst modulares Magnetfeld aufgebaut (Einschlusseigenschaft)

• Unterschied zu Tokamak: Plasma nicht durch Induktion erzeugt

• Unterschied zu Tokamak: Kein langsamer/kontrollierter Stromaufbau Anfangsphase der Entladung nur durch Dichteaufbau bestimmt

• Dauer der Heizung bestimmt Ende der Entladung Dauerbetrieb

Der Film zeigt eine Plasmazündung in Wendelstein 7-AS

Verlauf der Fusionsexperimente

Abfall/ Entsorgung• Ann.: 30 jähriger Betrieb

• Abfall: Divertor, erste Wand , Blanket

• Je nach Bauart: 65.000 – 95.000t Abfall

• Entspricht bis zum doppelten eines Spaltreaktors (endgelagert, aufgearbeitet)

Halbwertszeiten:

Fusionsreaktor: 1-5a Spaltreaktor: 100-10.000a

• Biologische Gefährdungspotential (radiotoxische Inhalt) der Fusionsabfälle klingt rasch ab

(tausendfach geringer)

• Von Gesamtmasse des Fusionsabfalls 30-40% freigebbar

Abfall/ Entsorgung• Weitere 60% recyclebar -> weitere

Kraftwerksnutzung

• Etwa 1% längerfristig lagern, bei etwa 50m

Tiefe

• Theoretische Recyclingtechnik noch nicht

verifiziert

• Geringe Nachwärme größere

Packungsdichte

• He3/Bor würden Neutronenaktivierung und

Tritiumeinsatz zusätzlich vermindern

Quellen• http://www.iter.org/mach• http://www.final-frontier.ch/images/tokamak.gif• http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/fusion21/index.html• http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf• http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/50_Jahre_IPP.pdf• http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/exptypen/stellarator/index.html• http://www.leifiphysik.de/web_ph12/umwelt_technik/11fusion/tokamak.htm• http://www.innovations-report.de/bilder_neu/23150_generator.jpg• http://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusion• http://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusionsreaktor• http://de.wikipedia.org/wiki/ITER• http://de.wikipedia.org/wiki/Wendelstein_7-X• http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/for/projekte/w7x/ziele/index.html

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Der Aufbau von Wendelstein 7-X• Die 50 nichtebenen Magnetspulen (blau) • 20 ebenen Magnetspulen (grau) werden auf Supraleitungstemperatur abgekühlt.• Für ihre Wärmeisolation sorgt ein Kryostat (grau). • Dessen innere Wand ist das Plasmagefäß (grün).• Stutzen (grün) zum Anschluss von Messgeräten, Heizung und Pumpen führen durch den

kalten Spulenbereich.

Plasmaaufheizung• Die Aufheizung des Plasmas geschieht im Dauerbetrieb über Mikrowellenstrahlen

mit einer Frequenz von 140 Gigahertz und einer Leistung von zehn Megawatt. Die Mikrowellen werden in speziellen Senderöhren, sogenannten Gyrotrons, erzeugt, über Metallspiegel umgelenkt und in das Plasma fokussiert. Dort heizen sie bevorzugt jene Elektronen, welche im Magnetfeld gerade in Resonanz zur eingestrahlten Frequenz rotieren.

Plasmaaufheizung• Die Ionen des Plasmas können zusätzlich mit Radiowellen einer Leistung von vier

Megawatt aufgeheizt werden. Durch die Neutralteilchenheizung, die energiereiche Wasserstoffatome einer Leistung bis zu 20 Megawatt in das Plasma hineinschießt, können die Temperatur und die Dichte des Plasmas weiter erhöht werden.

Fusionskraftwerk

Review

Review• Fusion: 2 Atomkerne -> 1 Atomkern• Wirkungsweise der Sonne• Reaktion: exotherm oder endotherm• „Kettenreaktion“ -> Stromgewinnung• Coulombbarriere zwischen 2 pos. gel. Kernen überwinden• Tunneleffekt: mehr wahrscheinlich• Abstand: 10^-15: starke Wechselwirkung• Deuterium Tritium• Schnelle Neutronen, Wasserstoffbomben, Kernfusionsreaktoren• Massendefekt: E=mc^2• Energie: kinetische Energie der Reaktionsprodukte und Strahlungsenergie• Exotherm: Verschmelzung leichter Kerne (58Fe)• He4 erzeugende Reaktionen besonders groß -> geeignet• D+T -> He + n besonders leicht einzuleiten• 1kg D-T- Gemisch = 100 Mil. Kwh oder 12,3 Mio kg SKE• Bei Wg von 35% (KKW) = 35 GWh• D: 45kg D-T / Tag

Review• Stellar: natürlich ablaufende Kernfusion• Wasserstofffusion• Wirkt Gravitation entgegen -> Stabilisierung• Sonne: 10. Mil. Grad Erde: 100 Mil. Grad (Gravitationsdruck)• Wasserstoffisotope auf lange Sicht fast unerschöpflich• Neutronenaktivierung: radioaktiver Abfall• Materialien, die andere stabile Nuklide, oder mit kuren HWZ

Kernfusionsrekator

• Bisher: Forschung, keine Stromerzeugung• Vorteile: größerer Brennstoffvorrat, höherer Anlagensicherheit, weniger langlebiger

radioaktiver Abfälle• Neutronenstrahlung, Bewegungsenergie des entstandenen Produktterms• Fusion: el. Abstoßung überwinden• Ohne äußere En., ohne äußere Energiezufuhr• Energiezufuhr für anfängliches Aufheizen notwendig• Plasmaherstellung: Durch Energiezufuhr erhitzt• Bei ausreichend hoher Temp.: Zündung von selbst• Gew. En.: Aufrechterhaltung der T• Rest: Aufheizung Kühlmittel (H2O,He)

Brennstoffe

• Geringste Abstoßung: nur eine Elementarladung -> Isotope H2

• Hoher Energiegewinn, ausreichender Wirkungsquerschnitt• Fusionsbrennstoff für zivil und militär• Andere Brennstoffe: • Vorteile gegnüber DT, hinsichtlich Radioaktivität und leichter Nutzbarmachung der

gew. Reaktionsen.• Aber: kleiner Energiegewinn, höhere Plasmatemp., mangelnde Verfügbarkeit• Bisherige Versuchsanlagen reines D, da ähnliche Untersuchung• D: keine Erbrüten, nicht radioaktiv, Abstoßung zw. Reaktionspartner nicht größer als

bei DT.

• Nachteil: Energie, Wirkungsquerschnitt -> Einschlusszeit erhöht• Folge DD:

Technische Hürden der D-T - Fusionsreaktoren

• Tritium erbrüten aus Lithium. Reaktor dabei von Brutmantel (Branket) umgeben• Tritium radioaktiv: Allerdings nur Betastrahlung mit geringer Maximalenergie ohne

Gammastr.• Nutzenergie: sehr schnelle Neutronen. Neutronenflussdichte und hohe En. Der

Neutronen stellen ganz spezielle Anforderungen an Materialien der Anlage.• Metallische Werkstoffe nicht nur wie bei KKW durch Versprödung, sondern durch

Schwellung geschädigt ((n,p) und (n, alpha) – Kernreaktionen, die im Metallgefüge Gas, Wasserstoff bzw. Helium erzeugen).

• Mantel: austenitischer Chrom-Nickel-Edelstahl• Zukunft unbrauchbar: Nickel -> Cobalt 60• Zukunft: nickelfrei, ferritisch-martensitisch Stähle, Vanadiumbasis, keramische

Siliziumcarbid

Tokamak

• Plasma in Torus von Magnetfeldspulen eingeschlossen• Andrei Sacharow und Igor Jewgenjewitsch Tamm/Kurtschatow- Institut Moskau• Tokamak= Toroidiale Kammer in Magnetspulen• Stromfluss in Torus wesentliche Eigenschaft• KONZEPT: Ring von Magnetfeldspulen umgeben, deren „toroidales“ Magnetfeld das

im Torus rotierende Plasma eingeschlossen hält• Problem: Magnetohydrodynamik: rotierende Teilchen im inneren Bereich des Torus

mit äußeren Teilchen Verwirbelungen bilden.• -> Teilchen zusätzlich Drehung innerhalb des Torus-Querschnitts durchführen, die

magnetischen Feldlinien also spiralförmig verlaufen.• Verdrillung der B-Feldlinien erreicht, indem Plasma selbst ein elektrischen Strom

induziert• Plasma leitfähig-> Sekundärwicklung eines Trafo• Primärspule: zentrale „Poloidal“-Feldspule im Torus Zentrum + koaxial mit Torus

gelegene Ringspule• Induzierte Strom erzeugt im Plasma poloidales Feld, so dass sicher der gewünschte

spiralförmige Feldverlauf ergibt.

Tokamak

• Da Primärstrom des Trafo nicht ständig steigerbar (Trafohub begrenzt), muss dieser von Zeit zu Zeit abgeschaltet werden.

• ->Plasmaeinschlussverlust-> Fusion setzt aus-> neue Zündung->Puls• Für wirtschaftliche Nutzung müssen Magnetfeldspulen aus Supraleitern bestehen,

damit Energieverbrauch gering.

Aufheizen des Plasmas

• Teil für Aufrechterhaltung (Kettenreaktion)• Für jeden neuen Puls muss jedoch das Plasma zunächst auf andere Weise über 10keV

aufgeheizt werden.• Ohmsche Heizung: Glühbirne 20-30 Mil. °C• Neutralteilcheninjektion: Ionisierung, D + T = Brennstoffnachfüllung• Magnetische Kompression: Magnetfelderhöhung, Plasma in Zone höherer mag.

Feldstärke, zusätzlicher Vorteil: Erzeilung Dichte• Mikrowellenheizung: Hochfrequente el.mag. Wellen (f, P) durch Oszillatoren

außerhalb des Torus.

Stellarator• Ebenfalls torusförmig• Name: Stella=Stern• Einschließende Magnetfeld ausschließlich durch Spulen• 2 Vorteile gegenüber Tokamak: kein toroidaler Strom-> Dauerstrich-betrieb. Kein

Gesamtstrom-> bestimmte Klasse von Instabilitäten (Disruptionen) vermieden• Einschluss allein durch Spulen, Trafo nicht nötig• Stellarator nicht kontinuierlich axialsymmetrisch, sondern Gebilde ohne kontinuierliche

Symmetrie• Stellarator besteht aus mehreren identischen Abschnitten, den Feldperioden, 5

Wendelstein 7-X, 10 bei LHD, und besitzt eine diskrete Symmetrie: nur bei Rotation um den Winkel 2Pi/P in toroidaler Richtung, wobei P = Anzahl der Feldperioden, geht Konfiguration in sich selbst über.

• Als zweite Symm. Kann sogenannte Stellaratorsymmetrie vorliegen: Geht in sich selbst über, wenn spezielle Achse um Pi gedreht wird.

• Diskrete Symmetrie führt zu spezifischen Effekten, die bei kontinuierlichen axialsymmetrischen Konfiguration nicht auftreten.

• So: Anders als Tokamak: magnetische Feldlinien nicht mehr überall auf ineinader verschachtelten Flächen verlaufen, sondern sich stellenweise chaotisch verhalten. -> möglichst kleine Gebiete

Klassifizierung

• KLASSISCH: Spulensystem aus 2l l e N geschlossenen helixförmigen Leitern, in denen der Strom in jeweils benachbarten Leitern in entgegengesetzte Richtung fließt.

• Umgeben von weiteren Spulen, die toroidales Magnetfeld erzeugen.• -> zwei ineinander verschränkte Spulensysteme• HELIOTRON, TORSATRON: Strom in l geschlossenen helixförmigen Leitern immer in

gleiche Richtung. • -> kein toroidales Sys., aber Vertikalspulen zur Kompensation des durch die helikalen

Spulen erzeugten vertikalen Feldes. • Im Gegensatz zu klassisch: beide Spulensys. Nicht ineinader verschränkt.• HELIAC: Diese Konfiguration besteht aus einem System toroidaler Feldspulen, deren

Mittelpunkt einer helikalen Linie folgt, entlang der ein weiterer Leiter liegt. Vertikalfeldspulen werden zum Kompensieren des vertikalen Feldes benötigt

• OPTIMAL: Besonders komplizierte Geometrie, num. Computerberechnung.• -> Stab. Des Plasmas gegenüber Störungen, guter Einschluss von Teilchen• Zuerst Plasmaform berechnet, dann modulare Spulensys., das B-Feld erzeugt.

Modulares Spulensystem• Ein großes Maß an Gestaltungsfreiheit für das Spulensystem, und damit für das

Magnetfeld, gewinnt man durch die Verwendung von modularen Spulen, d. h. Spulen, die poloidal geschlossen, aber nicht eben sind. Mittels dieses Konzeptes können nahezu beliebige Stromverteilungen auf einer vorgegebenen Fläche erzeugt werden. Modulare Spulensysteme sind besonders wichtig für optimierte Stellaratoren. Auch im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Konstruierbarkeit sind modulare Spulensysteme häufig einem nichtmodularen Spulensystem überlegen.