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Kernfusion

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by

Tobias Reuß

on 11 March 2014

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Transcript of Kernfusion

Kernfusion als erneuerbare Energiequelle -
Noch Utopie oder schon bald Wirklichkeit
Gliederung
Die Sonne als Vorbild
Nutzung der Kernfusion
Phyikalische Grundlagen
Prozess der Kernfusion
Technische Umsetzung
Stromgewinnung
ITER
Nachteile der Kernfusion
Vorteile der Kernfusion im Vergleich
zu anderen fossilen, nuklearen und
erneuerbaren Energiequellen
Fazit
Prozess der Kernfusion
Ausgangsstoffe
Tritium: - Wasserstoff mit zwei Neutron im Kern - radioaktiv; Halbwertszeit 12 a - Tritium wird in einer Brutraktion im Blanket des
Fusionsraktors aus Litium 6 (7,4%) hergestellt


Deuterium:
- Wasserstoff mit einem Neutron mehr im Kern
- wird aus Wasser angereichert (0,0145%)
Diese (kinetische) Energie wird benötigt um die Fusionsbedingungen, vor allem die Temperatur, des Plasmas nach abschalten der Aufheizsysteme aufrecht zu erhalten.
Beim auftreffen der Neutronen auf Materie (Blanket, Wärmeträgermedium) wird ihre kinetische Energie in thermische Energie umgewandelt

Diese Neutronen sorgen für eine radioaktive Kontamination der Reaktorbeauteile
Fusion
Technische Umsetzung
die gesteuerte Kernfusion findet in einem Fusionsreaktor statt
Einschluss des Plasmas:
Tokamak:
-
to
roidalnaya
ka
meras
ma
gnitnymi
k
atushkami
= toroidale Kammer mit Magnetfeld
- Einschluss des Plasmas in ein bzw. mehrere
Magnetfelder (Temperatur !)
Stellerator:
- einschluss des Plasmas ein schraubenförmiges
Magnetfeld mit aufwendiger Spulengeometrie
Fusion
Bedingungen:
- das Brennstoffgemisch muss als Plasma vorliegen, d.h. die
Atome sind in Kern und Elektronen aufgeteilt
- die Kerne müssen sehr hohe Energie, also Geschwindigkeit
aufweisen, um die Abstoßungskräfte zu überwinden

sehr hohe Temperatur von mehr als 200Mio.Grad Kelvin notwendig

zwei Kerne verschmelzen unter Abgabe von Energie ( nach E=m*c² ) zu einem Kern
am Beispiel der Deuterium-Tritium Fusion
Vor und Nachteile
Nachteile/Risiken
Vorteile
Vergleich von Brennstoffverbrauch und Abfall für ein Kraftwerk mit 1000 MW
Steinkohle 2.700.000 Tonnen 10.000.000 Tonnen CO2
219.000 Tonnen SO2
Öl 1.900.000 Tonnen 29.000 Tonnen NOx
Kernspaltung 32 Tonnen UO2 m. 3% 235 U 32 Tonnen hochradioaktiver,
nur teilweise verbrannter
Brennstoff
Solarenergie Mitteleuropa: 100 km² Solarzellen
(Photovoltaik) Sahara: 50 km² Solarzellen


Fusion 100 kg D und 150 kg T (aus 300 kg 400 kg Helium
Lithium-6)
Kraftwerkstyp Jahresverbrauch Abfall
ITER
ITER =
I
nternational
T
hermonuclear
E
xperimental
R
eactor bzw. lat.: iter, der Weg
Versuchsanlage Cadarache, Frankreich die von der Europäische Atomgemeinschaft,
Japan, Russland, Volksrepublik China, Südkorea, Indien und den USA finanziert wird
in dieser Anlage soll erforscht werden, ob und wie Fusionskraftwerke zur kommerziellen Stromgewinnung nutzbar gemacht werden können
ITER ist eine reine Forschungseinrichtung, der die technischen Möglichkeiten zur kommmerziellen Stromgewinnung fehlen ( kein Kühlkreislauf mit Dampferzeuger im Blanket)
allgemein sollen Bestandteile, wie z.B. der Blanket getestet und das für ihn best geeignete Material gefunden werden und allgemein so viele Informationen gesammelt werden, wie nur möglich
Kosten: bis jetzt 7,2 Mrd. € (bis 2055: 100 Mrd. €); werden unter allen Forschungspartnern aufgeteilt
Stromerzeugung
für die Stromerzeugung wird die kinetische Energie der Neutronen genutzt
da diese nicht geladen sind können sie das Magnetfeld ungehindert passieren
bei ihrem Weg nach außen werden sie vom Blanket abgebebremst
dabei wird ihre kinetische Energie im Blanket und im Wärmeträgermedium (Wasser,...) in thermische Energie umgewandelt
das erhitzte Wärmeträgermedium wird durch einen Primärkreislauf über einen Wärmetauscher zur
Dampferzeugung genutzt
der Dampf treibt eine Turbine mit Generator, der den Strom erzeugt, an
sehr geringes Gewicht
der benötigten Ausgangsstoffe
leicht zu
transportieren,
wenig Emisonen
fast unbegrenzes Vorkommen der
Ausgansstoffe

Deuterium: gewinnung aus Meerwasser (1 D : 7000 H)

Litium als Ausgangsstoff für Tritium:
- Mineral, dass in der Litospähare
häufig vorkommt

Deuterium-Deuterium Fusion

unerschöpfliche
Energiequelle
Kernfusion verursacht keinerlei Emisonen, die den Treibhauseffekt verstärken

lediglich die Bauteile werden schwach radioaktiv konteriniert
Unbegrenzte Energiequelle

geringer Einsatz von Rohstoffen

lediglich 10 g Deuterium und 15 g
Tritium um einen westeuropäer ein lebenlang mit Energie zu versorgen
hoher finanzieller Aufwand für die Staaten, die an der Forschung beteiligt sind
keine Gewissheit ob sich diese hohen Investitionen lohnen

hohes finanzielles
Risiko
fast keine radioaktiven
Abfallstoffen

keine Endlagerung
notwendig
hoher Technischer
Aufwand für die Verantwortlichen
Kosten
im Moment wird noch mehr Energie eingesetzt als frei wird
Nachhaltigkeit
nicht gegeben
Fazit
Bauteile des Reaktors werden radioaktiv konterminiert

allerdings nur geringe Halbwertszeit

keine Endlagerung
nötig
keinbe Katastrophen wie in
Fukuschima oder in
Tschernobyl möglich, da:
die Fusion sofort stopt, wenn sich die Parameter ändern
nur wenig Brennstoff genutzt wird ( > 1 g)
die Halbwertszeit des radioaktiven Tritiums nur 12 a beträgt
ein Fusionskraftwerk kann fast überall aufgestellt werden
unabhängige
Energieversorgung
wenn die Technik zur kommerziellen Nutzung der Kernfusion ausgereift ist, können wir auf eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle zurückgreifen
da dies aber im beste Falle erst Mitte bzw. Ende dieses Jahrunderts zu erwarten ist bleibt die Kernfusion momentan als erneuerbare Energiequelle leider noch eine Utopie
manchen Kritikern erscheint es sinnvollen mit den Geldern, die für die Kernfusion bestimmt sind, heute schon ausgereifte erneuerbare Energiequellen, wie PV-Anlagen, Solarthermische Anlagen, Windkraftanlagen, etc. auszubauen
geringer Platzbedarf im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien
unabhängig von außeren Einflussen
Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!
Ouellen - Elektronisch
http://wissenschaft.marcus-haas.de/technologie/kernfusion.html
http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/filme/index.html
http://www.white-star.de/iter/knorrpage.pdf
http://g-o.de/dossier-detail-134-11.html
http://www.iter.org/
http://de.wikipedia.org/wiki/Tokamak
http://www.csg-germering.de/upload/astronomie/DieSonne/Energie/Coulombwall.gif
http://www.neunplaneten.de/nineplanets/sol.html
http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/984703
http://www.leifiphysik.de
Die Sonne als Vorbild
in ihrem Inneren findet seit ca. 5 Mrd. Jahren die Fusion von Wasserstoff zu Helium statt
zuerst dachte man, dass eine Oxidation im Inneren stattfindet
wegen ihrer hohen Energieabgabe musste es sich allerdings um eine anderer Reaktion handeln
durch Spektraluntersuchungen konnte man Wasserstoff als hauptbestandteil der Sonne ausmachen

Kernfusion von Wasserstoff zu Helium wurde als Energiequelle vermutet
pp-Kette
Bethe-Weizsäcker-Zyklus
Nutzung der Kernfusion
Rutherford macher erste Experimente zur Deuterium-Deuterium und Deuterium-Tritium-Fusion
Bau der Wasserstoffbombe, die auf einer unkontrolierten Fusion beruht

Fusionsforschung gerät sowohl in der gesellschaft als auch
in der Forschung in Verruf

Genfer Konferenz 1958: Wiederaufnahme von Projekten zur "friedlichen Nutuzung der Kernfusion"
viele Industrieländer starteten Projekte zur komertiellen Nutzung der Fusionfür Kraftwerke, da sie schon damals einen hohen Energiebedarf zu stillen hatten
Physikalische Grundlagen
Kernkraft: die Kraft, die die Nukleonen in einem Kern zusammenhält
sie wird frei wenn sich Protonen und Neutronen zu einem Kern verbinden







die Differenz zwischen den Einzelmassen der Nukleonen und des Kerns wird Massendefekt Δm genannt und wird nach Einsteins E = m • c² als Energie frei
genau dies geschiet auch bei der Fusion von zwei Kernen
da die Kernkraft lediglich ein Reichweite von wenigen Femtometern hat (vergleichbar mit dem Durchmesser eines Kerns), müssen die Kerne sehr nahe aneinander kommen

Problem: aufgrund der gleichen Ladung der Kerne stoßen diese sich ab, dies wird
Coulombabstoßung bezeichnet
Physikalische Grundlagen
um den Coulombwall zu überwinden brauchen die Kerne eine sehr hohe (kinetische) Energie
diese erhalten sie durch z.B. durch hohe Temperaturen und Drücke
in der Sonne werden diese Bedingungen durch Temperaturen von ca. 15 Mio. K und eine druck von 200 Mio. Bar erzeugt
allen wegen dem hohen Druck kann der Prozess der in der Sonne abläuft auf der Erde nicht nachgeahmt werden
Technische Umsetzung
Aufheitzend des Plasmas:

Ohm´sch Heitzung:
- Aufheitzen durch den im Tokamak induzierten Strom

Hochfrequenz-Heizung:
- durch hochfreqente Radiowellen wird das Plasma zum
schwingen angeregt und wird so aufgeheitzt

Neutralteilcheninjektion:
- Teilchen (z.B. Deuterium) werden durch ein elektrisches Feld
beschleunigt und in das Plasma geleitet; dort geben sie ihre
Energie durch Stoße ab und heitzen so das Plasma auf
Iter - Fusionsreaktor
er verbaute Reaktor ist vom Typ Tokamak:
Technische Daten:
- Gesamtradius 15 m
- Höhe 30 m
- Plasmavolumen 837 Kubikmeter
- Magnetfeld 5,3 Tesla
- Plasmastrom 15 Megaampere
- Masse des Plasmas 0,5 g
- Heizleistung und Stromtrieb 73 Megawatt
- Fusionsleistung ca. 500 Megawatt
Zündbedingungen:
- Temperatur 200 Mio. K
- Plasmadiche ca. 10^14 Teilchen pro 1 cm^3
- Energieeinschlusszeit ca. 1 sec.
erste Zündung
2026 geplant
ITER - DEMO
da es sich bei ITER lediglich um eine Versuchsanlag handelt, soll ausgehend von den Forschungen und Erfahrungen, die aus ITER gewonnen wurden und werden, ein erstes "funktionierendes" Funktionskraftwerk DEMO gebaut werden
der Baubeginn für DEMO (DEMOnstration Power Plant) wurde mit 2024 veranschlagt; 2030 soll DEMO dann in Betrieb genommen werden
sehr optimistisch bzw. besser fast unmöglich da ITER ja erst 2026 voll in Berieb genommen wird
es soll getestet werden, ob das Kraftwerk wirklich wirtschaftlich ist
dafür wird der richtige Kraftwerksberieb aufgenommen und Strom ins Netze eingespeist
DEMO soll eine Leistung von 2 GW haben (vierfache Leistung von ITER; Erhöhung des Plasmavolumens um 50%; 30% höhers Plasmavolumen)
fals die Anlage erfolgreich betrieben werden kann, sollen 2050 erste kommerzielle Kraftwerke gebaut werden
ITER - Stromerzeugung
noch lange Zeitdauer bis die Technik ausgereift ist, um kommerzielle Kraftwerke zu betreiben 2050
Ungewissheit ob die angestrebten Termine eingehaltern werden können
"Abfallstoff" Helium
als Rohstoff wiederverwendbar
mit 7-10 ct pro kWh sind die Kosten für "Fusionsstrom" vergleichbar mit den
momentanen Strompreisen
Brennstoffkreislauf
Quellen - Literatur


„50 Schlüsselideen der Physik“, Joanne Baker, Spektrum Verlag, Heidelberg 2004

Nova Acta Leopoldian, Band 91, Nr. 339 „Energie“, Kerfusion – Eine nachhalti-ge Energiequelle der Zukunft, von Alexander M. Bradshaw/Thomas Hamacher, Wiss. Verl.-Gesell. Stuttgart, Halle 2004

„Klima – Der Weltuntergang findet nicht statt“, Gerd Ganteför, Wiley-VCH Ver-lag GmbH & Co. KGaA, 2010
Berechnung des Masendefekts für die Deuterium -Tritium-Fusion
Massendefekt:

m(D) = 2,0141015 u
m(T) = 3,0160495 u
m(He) = 4,002622 u
m(n) = 1,0086649 u

Δm = (m(D) + m(T)) - (m(He) + m(n)) = 0,0188641 u =
3,142860719x10^-29

E = m • c² = 2,828574647x10^-12 J =
17656520 eV

freiwerdende Energie 17,6 MeV
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