Konzepte von Fusionsreaktortypen, technischer Stand, Entsorgung

1. Konzepte von Fusionsreaktortypen, technischer Stand, Entsorgung Christoff Klinkicht | 7.7.2011 | HS Physik

2. Inhalt • Tokamak (ITER) • Zielsetzung • Aufbau • Fusionskraftwerk • Stellarator (Wendelstein 7-X) • Ziele • Charakteristika • Verlauf der Fusionsexperimente • Abfall / Entsorgung • Quellen / Diskussion

3. 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

4. ITER 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. €

9. Vakuumbehälter

10. 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

11. Blanket

13. 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

14. 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

15. Magnete

16. Magnete • 10.000t von supraleitenden Magneten für Plasmaformung/-Eindämmung • 18 toroidal, 6 poloidal, 1 zentral + Zusatzspulen • Gekühlt bei 4K: starkes Magnetfeld (13T)

17. Toroidale Magnetspulen • Plasmaeinschluss • 11,8 T

18. Poloidale Magnetspulen • Plasmaeinschluss + Plasmaformung + Plasmastabilität • Feld induziert durch Magnete und Strom

19. Zentral-Magnet • Großer Transformator, der Haupt-Plasma-Strom induziert • Führt Feldlinien in Divertorregion • Muss hohe Belastungsfähigkeit aufweisen

20. Stromheizung

21. Externe Heizung

22. 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).

24. Divertor

25. Divertor • Divertor ist Boden des Vakuumbehälters • Ist Hauptinterface zwischen Plasma und den Materialoberflächen • Divertor kontrolliert Heliumabtransport und sonstiger Verunreinigungen

26. Kryostat

27. Kryostat • Gesamter Vakuumbehälter in Kryostat (großer Kühlschrank) • Physische Hülle und Wärmedämmung

28. Überwachungstechnik

29. Überwachungstechnik • Überwachung von Plasmaleistung durch 50 Diagnose-Systeme • Manometer, Bolometer, Neutronen-Kameras, Verunreinigungsaufzeichner, Laser-Streuer

31. 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

32. Stellarator: Wendelstein Plasma + Spulen

33. 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)

34. Wendelstein 7-AS

35. Wendelstein 7-X

37. 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

38. Plasmagefäß • Ultrahochvakuum: 10-8 Millibar • Hohe Beanspruchung durch Druck magnetischer Kräfte, die durch lokal induzierte Ströme hervorgerufen werden. Edelstahlgefäß • Zahlreiche Öffnungen und Stutzen (>250)

39. Divertor • Begrenzung des Plasmaschlauchs auf magnetische Weise • Kein zusätzliches Magnetfeld nötig • Energie + Teilchen laufen auf Ausläuferzonen zu • Schutz durch Prallplatten Verunreinigungs- und Dichtekontrolle

40. Brennstoffnachfüllung • Durch Divertor: Verlust von Brennstoff • 3 Methoden zur Nachfüllung: • Gaseinblasen • Neutralteilcheninjektion • Pelletinjektion • Veränderung des Dichteprofils des Plasmas

41. 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

42. Verlauf der Fusionsexperimente

43. 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

44. 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

45. 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

46. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

47. 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.

48. 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.

49. 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.

50. Fusionskraftwerk