Magnetisch eingeschlossene Fusionsplasmen auf dem Weg zu einer neuen Energiequelle Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Plasmaphysik EURATOM Assoziation – FZJ TEC Robert Wolf Institut für Plasmaphysik Forschungszentrum Jülich www.fz-juelich.de/ipp/ ITER
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Magnetisch eingeschlossene Fusionsplasmen auf dem Weg zu einer neuen Energiequelle
Forschungszentrum Jülichin der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für PlasmaphysikEURATOM Assoziation – FZJ
TEC
Robert WolfInstitut für PlasmaphysikForschungszentrum Jülich www.fz-juelich.de/ipp/
ITER
ITER – Erstmalige Demonstration eines kontrolliert brennenden Fusionsplasmas
• 500 MW Fusionsleistung
• Q = Pf / Ph = 10
• 8 Minuten Brenndauer
• Investitionen 5 Milliarden €
ITER – International Thermonuclear Experimental Reactoroder lateinsich “Der Weg”
Partner:EU, Japan, USA, Rußland, China, Südkorea, Indien
Warum Kernfusion ?
• Einzig neue Primärenergiequelle (Grundlastversorgung 1 GW)
• Brennstoff für mindestens 1 Millionen Jahre
• Rohstoffe weltweit gleichmäßig verteilt
• Keine CO2 Erzeugung
• Keine Kettenreaktion
• Begrenzte Radioaktivität
Final Report of the European FusionPower Plant Conceptual Study
EFDA(05)-27/4.10
Fusionsreaktion zwischenDeuterium und Tritium
Fusionsreaktion zwischenDeuterium und Tritium
17.5 MeV pro Fusionsreaktion
Wasserdampf|
Dampfturbine|
Elektrogenerator…
Energiegewinn erfordert thermisches Plasma
Gravitation(Sonne)
Massenträgheit(Inertialfusion, Wasserstoffbombe)
Magnetischer Einschluss
Auftreten von Fusionsreaktion bedeutet noch lange nicht positive Energiebilanz
• Einfache Geometrie• Erreichte Parameter bereits nahe an
einem brennenden Fusionsplasma
Aber:
• Stromgetriebene Instabilitäten• Stationärer Betrieb nur durch
zusätzlichen Stromtrieb möglich
10 MAIp
ITER ist ein Tokamak
Entladung ~ R2
Der Weg zum Reaktor
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
14-MeV-Neutronenquelle
Plasmaphysik
DEMO …ITER
erster elektrischer Strom aus Fusion
JETGroße Anlagen
Technologie
Wo stehen wir heute ?Die physikalischen Grundlagen für die Demonstration eines stationär brennenden Fusionsplasmas auf der Basis eines Tokamaks sind erreicht- Guter magnetischer Einschluss (thermische Isolierung); H-Mode, Turbulenz- Einschluss schneller Teilchen (-Teilchen) notwendig für Selbstheizung des
Plasmas nachgewiesen- Kontrolle von Instabilitäten (und Transport)- Konzepte zu Energie- und Teilchenabfuhr aus dem Plasma- Heizmechanismen zum Erreichen thermonuklearer Bedingungen verstanden,
erprobt und weit entwickelt- Diagnostikmethoden zur Erfassung der Plasmaparameter weitgehend entwickelt- Konzepte für längere Pulsdauer in Erprobung (30 Minuten in ITER)- Neue Wandmaterialen in Entwicklung (kompatibel mit Anforderungen hoher
Energieflüsse und längerer Entladungsdauer, und Rückwirkung auf das Plasma)
Das Design für den Bau eines solchen Experiments (ITER) ist fertig gestellt, inklusive Materialtests und PrototypenentwicklungHeiz- und Diagnostiksystemen benötigen noch Entwicklungs- und Designarbeit
Das Fusionsprodukt hat sich alle 1,8 Jahre verdoppelt
Stationärer Betrieb mit reaktorrelevanten PlasmaparameternStabiles Plasmagleichgewicht bis zu <p/B2/20> = 5%
Kontrolle der Plasmadichte und Verunreinigungen mit einem DivertorGewährleitung des Einschlusses hochenergetischer Ionen (minimale Abweichung der Orbits von Flussflächen)
Einschluss hochenergetischer Teilchen im Stellarator
Der Weg zum Reaktor
ITERPfusion = 500 MW
JETPfusion bis zu 16 MW
H-Mode
Größe & Magnetfeld
Weiterer Fortschritt !?
Magnetfeld begrenzt durch Supraleitung !
Konventionell
Weiterentwicklung der H-mode (hier ASDEX Upgrade) und Extrapolation zu ITER
0,0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 (a/R pol
2.5 - 3.5 3.5 - 4.5 4.5 - 5.5
q - range H 98 (y,2) N /q 95 2
ITER: Q~10,Ip=15MA
400s duration
ITER: Q~30,Ip=15MA
up to 1000s.
ITER: Q= 5-10,Ip=10-11MAup to 3000s.
Anteil des im Plasma selbst erzeugten Stroms (Bootstrap Strom)