XV. Heidelberger Graduiertenkurse Physik (10-14 Oktober 2005)

Energie und Umwelt im 21. Jahrhundert

Donnerstag 13.10(2): Optionen für die Zukunft (Teil I)

Energie aus der Kernfusion?

• Grenzen der fossilen Energiequellen

• die kontrollierte Kernfusion auf der Erde?physikalische Grundlagen, der Tokamak und Resultate vom europäischenJET-Projekt (1971-2001) das Weltprojekt ITER

• eine positive Energiebilanz aus der Fusion: die Zeitskala (Fusionsoptimis-ten)?

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Warum brauchen “wir” neue Energiequellen?

Falls wir unseren Lebensstil nicht ändern wollen/können:

• die Weltbevölkerung und der Weltenergiebedarf steigt und steigt;

• die fossilen Energiereserven sind “sehr sehr” endlich;

• die Nutzung der fossilen Energien verursacht den Treibhauseffekt;

• Energie aus der Kernspaltung ist limitiert (Uran 235);

• Erneuerbare Energiequellen sind limitiert!

• Änderung unseres Lebenstils (siehe oben).

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Warum sollten wir Fusions-Forschung machen I?

ITER Homepage (Fusion Research):www.iter.org

• “Electricity production consumes a substantial share of this energy use (typically 40%worldwide in 1999) and, for reasons given below, this share is expected to increase con-siderably in the future.” (der tatsächliche Anteil liegt eher bei 16%)

• Gründe: (a) Wachstum der Weltbevölkerung,(b) mehr Elektrizität bedeutet bessere Lebensqualität,“for international stability, nations will seek electricity supply solutions which allow themto become as far as possible independent of the possessors of scarce fuel resources.”

• “Despite the drive towards ever-increasing efficiency in electricity use, increased individualelectricity demand, particularly by the dominant population, that in developing countries,is expected to increase world electricity consumption substantially by the middle of the21st century.”

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Warum sollten wir Fusions-Forschung machen II

Argumente ITER Homepage (Fusion Research):www.iter.org

• Klimawandel: “To stabilize greenhouse gas concentrations in the atmosphere at a levelthat would prevent dangerous effects on the climate system, the present energy supplysystem needs to change considerably.”

• Reserven der fossilen Energiequellen: “Today most of the worldwide electricity demandis satisfied by fossil fuels, basically by oil, natural gas and coal. If this pattern does notchange, the conventional oil and gas resources will last for a couple (eine Generation=25 Jahre?) of generations at present levels of consumption. Increasing scarcity will drivethe prices up.”

• “The renewable energy technologies, namely solar, wind, tidal, wave, biomass, geothermaland hydro are already fully or in the process of being developed.”

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Warum sollten wir Fusions-Forschung machen III

Diagramme von der ITER Homepage (Fusion Research):www.iter.org

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Kontrollierte Fusion I:die Fusionsprozesse

H2 + H2 → H3 + H1+ 4.03 MeVH2 + H2 → He3 + n + 3.27 MeVH2 + H3 → He4 + n + 17.59 MeVH2 + He3 → He4 + H1+ 18.35 MeV

(1 MeV = 1.6 ×10−13 Joule)

Tritium H3 existiert nicht natürlich und muss zusätzlich hergestellt

werden!

Deuterium + Tritium → Helium + n + 17.59 MeV

n + Lithium (Li6) → Helium + Tritium + 4.8 MeV

bei der Fusion von etwa 1 gr (Deuterium + Tritium) wird

eine (thermische) Energie von etwa 105 kWh frei!

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Kontrollierte Fusion II:Fusion auf der Sonne

H1 + H1 → H2 + e+ + ν+ 0.42 MeVH2 + H1 → He3 + γ+ 5.49 MeV

He3 + He3 → He4 + 2p+ 12.86 MeVpro Sekunde werden etwa 600 Mio Tonnen Wasserstoff fusioniert! Reichweite noch etwa 5Mrd Jahre! Die Gravitation erlaubt den hohen Druck (10 Mrd bar) und Temperatur (15 MioGrad) im Innern der Sonne!

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Kontrollierte Fusion IIIwelche Reaktion?

Warum man auf die “schlechteste” Fusionsreaktion setzt?

H2 + H3 → He4 + n + 17.59 MeV

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Kontrollierte Fusion IVdie Sonne “nachbauen”?

Lawson Kriterium (positive Energiebilanz der Fusion): Produkt von Particle Density × con-finement time > 1014 atoms/sec/cm3

Fusion von Deuterium-Tritium am “einfachsten”:

• Tokamak: Temperatur 200 Mio Grad, Druck=6 bar(“Laser Kompression”: Temperatur 100 Mio Grad, Druck=100 Mrd bar)

• Fusionsleistung: 2 000 000 W/m3 (auf der Sonne 300 W/m3)

• Einschlusszeit: 1-1000 sec

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Kontrollierte Fusion IVTechnologie: Tokamak

• “It will most likely take until the year 2000 to bring a laboratory reactor to full commercialutilisation.” (Energy, Resources and Policy R. Dorf 1978 Seite 260)

• “Das Ziel scheint nun sichtbar zu werden” (Frauenfelder und Henley Teilchen und Kerne1974)

• “Da die Konstruktion eines Fusionsreaktors eine Vielzahl von ungelösten praktischen Prob-lemen mit sich bringt, steht nicht zu erwarten, dass die Kernfusion innerhalb der nächstenJahrzehnte zu einer verfügbaren Energiequelle wird. Auf lange Sicht erscheint dies jedochmöglich.” Tippler 1991

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Kontrollierte Fusion V

andere Technologien:Tröpfchenkompression und muon-induzierte

Fusion

Tröpfchenkompression (Laser)

• Tropfen aus Tritium-Deuterium Gemisch mit Durchmesser von Millimetern

• Implosion durch Laser-, Röntgen- oder Teilchenstrahlen für extrem kurze Zeit von 4ng/cm3auf eine Dichte von 200 gr/cm3.

• bei 20 Tröpfchenimplosionen/sec würde man also 2 MW/m3 Reaktionsvolumen bekom-men!

muon-induzierte Fusion

• Durch ersetzen von Hüllenelektronen durch Muonen beim Deuterium kommen die zweiKerne so nahe zusammen, dass die Fusion “freiwillig” (nsec) stattfindet.

• Man müsste erreichen, dass jedes Muon während der kurzen Lebensdauer (2 µsec) einige100 Fusionen vermittelt.

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der Tokamak: Resultate vom europäischenJET-Projekt I

• Size: Major Radius= 2.96 m,Minor R.= 1.25 m (horizontal) 2.1m (vertikal);

• B= 3.45 Tesla, Plasma Volume = 90 m3,Baukosten≈ 200 Mill. Euro (Jahr 2000),

• 1973: Design, 1979: Grundsteinlegung, 1983: Beginn der Experimente1991: erste “Fusion Power”,

• 1997: D-T Experiment with 16 MW Peak Fusion Power, 1999: JET statusends.

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der Tokamak: Resultate vom europäischenJET-Projekt II

• 1997: D-T Experiment with 16 MW Peak Fusion Power (Q≈0.65)

• 1997: 4 MW Power für 4 Sekunden (Q≈0.2) und damit 22 MJoule (6.1 kWh(therm.)!)Energie aus der Fusion.

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der Tokamak: Resultate vom europäischenJET-Projekt III

Im Vergleich mit anderen Fusionsexperimenten

T

n τE

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50 Jahre Forschung und Entwicklung:

Fusionsenergie, was mindestens noch fehlt:

• Q-Wert = 0.6 (Q= Power out/Power in, Q sollte mindestens 30 betragen!)

• Plasma Volumen = 90 m3 (brauche mindestens 2000 m3 für 3 GWtherm)

• Peak Power = 4 MW Power für 4 Sekunden (brauche 3 GW kontinuierlich)

• Tritium Nutzung= 20 gr (brauche etwa 50 Kg pro Jahr pro für 3 GW therm)

REACTOR1022

1020

1018

1016

1014

1955 1965 1985 19951975

JET

JET JET

JG

00

.47

/63

c

n T τE(m–3skeV)

^^

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der Wunsch der Plasma-Fusions-Physiker:

ein grosser (Welt) Tokamak

ITER Original ITERKosten (2000 Dollar?) 4.3 7.8

Q (“steady state”) 5 10-15Tokamak major radius 6.2 m 8.1 mTokamak minor radius 2.0 m 2.8 m

Burn time (steady state) 2000 s 10,000 sPower output 400 MW 1500 MWPlasma volume 840 m3 2000 m3

Average neutron wall load 0.6 MW/m2 1 MW/m2

Integrated neutron wall load 0.3 MW-year/m2 1-3 MW-year/m2

(Zahlen von Physics Today March 2000)

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ITER: ein “machbarer” Welt Tokamak

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was man mit ITER lernen will I

• Kann man die Erkenntnisse von JET hinauf skalieren?(Plasma Volumen = 90 m3 → 800 m3)

• Plasmaphysiker erhoffen sich einen Test ihrer Modelle.

• Das Brüten von Tritium beim intensiven Beschuss mit Neutronen.

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was man mit ITER lernen will II

von der ITER home page unter Physics (http://www.iter.org/)

The principal physics goals of ITER are:

• to achieve extended burn in inductively driven plasmas with the ratio of fusion power toauxiliary heating power (Q) of at least 10 for a range of operating scenarios and witha duration sufficient to achieve stationary conditions on the timescales characteristic ofplasma processes;

• to aim at demonstrating steady-state operation using non-inductive current drive with aratio of fusion power to input power for current drive (Q) of at least 5.

• In addition, the possibility of higher Q operation will be explored if favourable confinementconditions can be achieved.

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was man mit ITER studieren willThe key physics issues that will need to be investigated on ITER are

• the maintenance of H-mode quality confinement at sufficiently high density, achievingadequate plasma b to produce the requisite fusion power, and hence Q value;

• the provision of satisfactory power and particle exhaust to ensure acceptable levels ofhelium and plasma impurities; the evolution of plasma confinement phenomena scalingwith size;

• efficient transfer of a-particle power to the thermal plasma while limiting anomalous a-particle losses, via TF ripple or collective instabilities, to prevent damage to the plasmafacing components;

• to maintain global mhd stability and plasma control such that the thermal and electro-magnetic loads, as well as runaway electron currents, arising from disruptions are withinacceptable bounds.

• In order to maintain the programmatic objective, the ITER design includes provisions,wherever it is possible at reasonable cost, to accommodate the likelihood that some oftoday’s predictions will turn out to be different in reality.

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was Kritiker zum ITER Projekt sagenz.B. die Physiker: S. Balibar, Y. Pomeau (directeur CNRS) undJ. Treiner (Prof. université P. M. Curie) in Le Monde 24.10.2004

• Kosten für Frankreich (als Host) 457→ 914 Mill. Euro (etwa 1/4 der totalen Baukosten!)gleichzeitig wird das gesamte Forschungsbudget radikal gekürzt.

• Das Ziel die Plasma Physik besser zu verstehen ist eine Frage der Grundlagenforschungwie viele andere auch und sollte keine Sonderbehandlung erfahren!

• Es macht keinen Sinn einen “Revolutionären Rennwagen Motor” zu entwickeln wenn mankeine Ahnung hat wie man die Reifen bauen und integrieren kann.

• Ein realistisches Programm in Richtung Fusionsenergie sollte deshalb folgende Fragenuntersuchen:

– Die Tritium Produktionskette (56 Kg Tritium pro Jahr und GWatt Leistung), vielmehr als was alle gegenwärtigen KKW’s über Jahre hinaus produzieren.

– Material confinement im Dauerbetrieb bei extrem hohen Neutronbeschuss.

– Materialforschung, wir haben keine Ahnung welches Materialden extrem hohen Neutronbeschuss aushalten kann.

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vom ITER Projekt zum Prototyp einesFusionsreaktors?

Von der ITER Plasma Forschungsanlage bis zu einem Testreaktor“DEMO” und “PROTO” ist noch ein sehr weiter Weg!

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EU Fusionsoptimisten:die nächsten 50 Jahre

European Strategy Group (June 2000): (http://www.efda.org/)

• ITER- the “Next Step” (200x–2030)

– Fusion Power: 500 MWtherm

– Long-Duration burning plasma

– Test blankets concept

• DEMO- the demonstration Step (2020?–2040?)

– Fusion Power: 2000 MWtherm

– Net electricity production

– Tritium self sufficiency

– High reliability of operation

• PROTO- the prototype power station (2040?–2060?)

– Electric Power: 1500 MWel

– Improved commercial electricity production

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Fusionsenergie am Ende des 21. Jahrhunderts?

Tentative Roadmap of Achievements starting from the decision to construct the Next Step

Next

Main Achievements Required

�� Production and control of long pulse-burning plasma

�� Heat and particles exhaust (plasma facing components)

�� Test of breeding blanket modules for DEMO

�� Net electricity production (full hot breeding blanket)

�� High reliability of operations

�� Qualification of lower activation materials for PROTO

�� Improved economy in electricity production

�� Improved low activation materials

�� Demonstration of a reference low activation steel for

DEMO

�� Search for higher performance materials for PROTO

�� Demonstration of waste management and recycling

�� Demonstration of safety management

�� Demonstration of low environmental impact potential

0 10 20 30 40 50

Years after decision on Next Step

Application

of results Design Construction Operation

Material Development

DEMO

PROTO (1.5 GWe)

Acco

mp

an

yin

g

Pro

gra

mm

e in P

hy

sics &

Tech

no

log

y

Environ. & Safety

(2 GWth)

Step (1/2 GWth)

La

rge S

cale elec

tricity

pro

du

ctio

n

This is the conventional roadmap for fusion energy development extracted from “Five Year Assessment Report related to the specific programme:

Nuclear Energy covering the period 1995-1999" June 2000

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