Fakultät II
Zentrum für Astronomie und Astrophysik
Fusionsforschung auf dem Weg zu
einem
energieliefernden Plasma
Robert Wolf
Zum Gedenken an Lise Meitner, Ehrendoktorin der FU
Ringvorlesung Wintersemester 2018/2019
Ringvorlesung Lise Meitner 2
…
R Wolf, 26 November 2018
earthobservatory.nasa.gov
Ringvorlesung Lise Meitner 3
…
R Wolf, 26 November 2018
earthobservatory.nasa.gov
Ringvorlesung Lise Meitner 4
Themen …
R Wolf, 26 November 2018
… Sonne und Fusion
… Fusion auf der Erde
… Fusionsforschung
… Wendelstein 7-X in
Greifswald
Ringvorlesung Lise Meitner 5
Themen …
R Wolf, 26 November 2018
… Sonne und Fusion
… Fusion auf der Erde
… Fusionsforschung
… Wendelstein 7-X in
Greifswald
Ringvorlesung Lise Meitner 6R Wolf, 26 November 2018
Die Sonne
SOHO, ESA & NASA
Ringvorlesung Lise Meitner 7
…
R Wolf, 26 November 2018
Erde
SOHO, ESA & NASA
Ringvorlesung Lise Meitner 8
…
R Wolf, 26 November 2018
Schwerkraft
Gasdruck
Kräftegleichgewicht und
Massenerhaltung
Im Zentrum der Sonne
p > 0,5 Mrd. bar
Energieerhaltung
Im Zentrum
der Sonne
T > 2 Mio. Grad
SOHO, ESA & NASA
Ringvorlesung Lise Meitner 9R Wolf, 26 November 2018
Hohe Temperaturen: 10 Mio C
Extrem hoher Druck: 10 Mrd. bar
5000 C
0,1 bar
SOHO, ESA & NASA
Ringvorlesung Lise Meitner 10R Wolf, 26 November 2018
Was erzeugt diesen Druck, diese Temperaturen?
SOHO, ESA & NASA
Ringvorlesung Lise Meitner 11R Wolf, 26 November 2018
1905 – Einstein: Äquivalenz von Masse und Energie, E = mc2
1919 – E. Rutherford: Beobachtung der ersten Kernverschmelzungsreaktion
im Labor
1925 – A. Eddington: Einfaches Modell der Sonne (Berechnung Druck und
Temperatur in der Sonnen ohne Kenntnis über Prozess der
Energieerzeugung)
1928 – G. Gamow: Erklärung der Kernverschmelzung (und Zerfall
radioaktiver Elemente) mit dem quantenmechanischen Phänomen
des Tunneleffekts
1929 – R. Atkinson, F. Houtermans: Anwendung der Theorie des
Tunneleffekts auf die Vorgänge im Inneren der Sonne
1938 – H. Bethe, C. F. von Weizäcker: Entdeckung (unabhängig
voneinander) des als Kohlenstoffzyklus bezeichneten Prozesses, mit
dem es den Sternen gelingt unter katalytischer Mitwirkung von
Kohlenstoff vier Protonen zu einem Heliumkern zu verschmelzen und
dabei Energie freizusetzen
1938 – O. Hahn, L. Meitner, O. Frisch, F. Straßmann: Entdeckung der
Kernspaltung
1939 – H. Bethe: Entdeckung der Proton-Proton-Kette, die ohne Kohlenstoff
bei etwas niedrigeren Temperaturen dasselbe bewirkt und der
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 12
Vom ganz Großen zum ganz Kleinen: Das Atom
Elektrische Kraft
~ 10-10 m
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 13
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen
Starke Kraftkompensiert die elektrische Abstoßung der Protonen
~ 10-14 m Protonen
sind positiv
geladen
Neutronen
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 14
Kernspaltung und Kernfusion
25 50 100 150 200 250
0
2
4
6
8
10
0 5 10 15 20
1H
2H
3H
8Be4He
12C20Ne16O
56Fe
235U
Massenzahl
E
/A [M
eV
/am
u]
Spaltung
Fusion
Ringvorlesung Lise Meitner 15R Wolf, 26 November 2018
Kernfusion in der Sonne
Umwandlung von 4 Protonen (Wasserstoff) in Helium
ABER: Wasserstofffusion ist sehr (!!!) ineffizient
DESHALB sind hohe Drücke und Temperaturen notwendig
Hohe Temperaturen: 10 Mio C
Extrem hoher Druck: 10 Mrd. bar
SOHO, ESA & NASA
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 16
Günstigste Fusionsreaktion: Deuterium und Tritium
17.5 MeV pro
Fusionsreaktion
Wasserdampf
|
Dampfturbine
|
Elektrogenerator
…
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 17
Günstigste Fusionsreaktion: Deuterium und Tritium
Lithium 6
Helium
Tritium
Tritium muss erbrütet werden
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 18
Die Rohstoffe sind Deuterium und Lithium
1/2 Badewanne Wasser6Li aus zehn Akkus
30 Jahre Strom für eine
durchschnittliche EU-
Familie
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 19
Vorteile Kernfusion
• Brennstoff für mindestens 1 Millionen Jahre
einzige neue Primärenergiequelle
Grundlastversorgung 1 GWe für Industrie und große
Städte
Prozesswärme in einem zukünftigen Energiesystem, z.B.
Erzeugung von Flüssigtreibstoffen
• Rohstoffe weltweit gleichmäßig verteilt
• Keine CO2-Erzeugung
• Keine Kettenreaktion (wie bei Kernspaltung; in den
Brennstäben ist die Energie einiger Jahre gespeichert)
• Begrenzte Radioaktivität (Neutronen aus der
Fusionsreaktion aktivieren Strukturmaterialien)
Ringvorlesung Lise Meitner 20
Themen …
R Wolf, 26 November 2018
… Sonne und Fusion
… Fusion auf der Erde
… Fusionsforschung
… Wendelstein 7-X in
Greifswald
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 21
0 °C
Temperatur
100 °C 10.000 °C
Heiß heißer Plasma
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 22
Plasmaphysik – ein weites Feld
2nkT = 2 bar 1010 bar
T = 10 keV, ne = 1020 m−3
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 23
Bedingungen für ein Energie erzeugendes D-T-Plasma
Deuterium-Tritium
Plasma
1014 cm-3
100 Millionen C
3 bar
Sonne
1026 cm-3
10 Millionen C
1010 bar
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 24
Bedingungen für ein Energie erzeugendes D-T-Plasma
Deuterium-Tritium
Plasma
1014 cm-3
100 Millionen C
3 bar
Wasser
1022 cm-3
20 C (300 K)
1 bar
cc
Ringvorlesung Lise Meitner 25R Wolf, 26 November 2018
Die Sonne
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 26
Plasmen auf der Erde
cc
cc
cc
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 27
Großteil der sichtbaren Materie ist Plasma
Arctic light - Frank Olsen [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], from Wikimedia Commons
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 28
Wärmeisolierung
Taußen
Tinnen
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 29
Wärmeisolierung
Taußen
Tinnen
Magnetfeld
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 30
Wärmeisolierung durch ein Magnetfeld
Ohne Magnetfeld
Mit Magnetfeld
ElektronMagnetfeldlinie
Magnetische Kraft
(elastische Seiten)
Gasdruck
Plasmadruck
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 31
Magnetfeld
CC BY-SA 3.0
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 32
Torus
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 33
Tokamak oder Stellarator
Stellarator (steht für die
Nutzbarmachung der Energiequelle der
Sterne)
L. Spitzer (Princeton Plasma Physics
Laboratory)
Magnetfeld im Wesentlichen durch
äußere Spulen erzeugt
Tokamak (aus dem Russischen von
„toroidalnaya kamera w magnitnych
katuschkach“ / toroidale Kammer in
Magnetspulen)
I. Tamm und A. Sakharov
Wesentlicher Teil des Magnetfelds
durch elektrischen Strom im Plasma
erzeugt
StellaratorTokamak
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 34
Tokamak oder Stellarator
StellaratorTokamak
Weiter entwickelt aber
gepulst
ITER ist ein Tokamak
Erstmalig Energieerzeugung
mit Fusion
Günstigere Eigenschaften für
Kraftwerksbetrieb (stationär)
Wendelstein 7-X ist ein Stellarator
Nachweis der notwendigen Plasma-
eigenschaften (keine
Energieerzeugung)
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 35
Magnetischer Einschluss
Magnetisch
eingeschlossenes Plasma
Abkühlzeit: Sekunden
Plasma in der
Sonne
Abkühlzeit:
10 Millionen Jahre
Ringvorlesung Lise Meitner 36
Themen …
R Wolf, 26 November 2018
… Sonne und Fusion
… Fusion auf der Erde
… Fusionsforschung
… Wendelstein 7-X in
Greifswald
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 37
Erstes magn. Einschlussexperiment war ein Stellarator
Lyman Spitzer
mit Figur-8-
Stellarator
Courtesy of PPPL
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 38
Der Tokamak übernimmt …
Erreichen fusionsrelevanter Temperaturen im Tokamak T3 (1969,
Kurtschatow-Institut, Moskau) führt zur schnellen Weiterentwicklung des
Tokamakprinzips
alltheworldstokamaks.wordpress.com/gallery-of-external-
views/t3/
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 39
Größtes derzeit laufendes Fusionsexperiment – JET
EUROfusion, JET
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 40
JET von innen
16 MW Fusionsleistung für ~ 1
Sek PFusion ~ P Heizung oder P ~
0.2×PHeizung
EUROfusion, JET
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 41
500 MW Fusionsleistung in ITER
Inbetriebnahme 2025, Fusionsleistung > 2030
www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/4 - aerial/2018/aerial_20-11000.jpg
500 MW Fusionsleistung für 100
Sek PFusion ~ 10×P Heizung oder P ~
2×PHeizung
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 42
Fusionreaktionen
Optimale Temperatur
10 – 20 keV
(~ 100 Mio. K)
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 43
Fusionsparameter (magnetischer Einschluss)
Wegen Stabilität
Aus technischen Gründen B ~ 5T (Supraleitung, mechanische Kräfte)
Zusammen mit optimaler Temperatur (D-T Reaktion) ~10 keV
Aus Leistungsbilanz folgt (D-T Fusion)
Deshalb
Erreicht
T > 10 keV
n > 1020 m-3
E ~ 1 sec 10
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 44
Europäische Roadmap – 8 Aufgaben („Missions“)
www.euro-fusion.org/eurofusion/roadmap/
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 45
Stationärer Betrieb bei hinreichend hohem n T E
Courtesy M. Kikuchi
W7-X
Ganz wichtiger Aspekt: Selbstheizung des Plasmas durch -Teilchen aus der Fusionsreaktion
Zentrale Aufgabe von ITER
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 46
Wärmeabfuhr
• Typische Wärmeflüsse
Fusion ~ 1.000 – 10.000 kW/m2
Fossil, Spaltung ~ 500 kW/m2
Solar < 1.4 kW/m2 (Durchschnitt in
Deutschland 0.1 kW/m2)
• Begrenzung der lokalen
Wärmeflüsse durch
Wärmestrahlung
Homogen über die Oberfläche des
Plasmagefäßes verteilt
Durch gezieltes Einbringen von
Verunreinigungen
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 47
Wärmeabfuhr
Wärme
• Typische Wärmeflüsse
Fusion ~ 1.000 – 10.000 kW/m2
Fossil, Spaltung ~ 500 kW/m2
Solar < 1.4 kW/m2 (Durchschnitt in
Deutschland 0.1 kW/m2)
• Begrenzung der lokalen
Wärmeflüsse durch
Wärmestrahlung
Homogen über die Oberfläche des
Plasmagefäßes verteilt
Durch gezieltes Einbringen von
Verunreinigungen
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 48
Neutronentolerante Materialien
• Vorteil der Neutronen
Sie übertragen 4/5 der
Fusionsenergie in das
Blanket-Volumen
• Nachteil der Neutronen
Aktivierung der betroffenen
Materialien
Versprödung etc.
• Lösungsweg
Design und Entwicklung
neutronentoleranter
Materialien
Final Report of the European Fusion Power Plant Conceptual
Study
EFDA(05)-27/4.10
Eurofer: Niedriger aktivierbarer ferritischer
Stahl, Wiederverwendung nach 100
Jahren100 years
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 49
Geschlossener Tritium-Kreislauf
• Entscheidende Frage
Ausreichende Produktion von
Tritium bei gleichzeitiger
Vermeidung großer
Tritiummengen
• Lösungsansätze, Beispiel
Innovative Isotopentrennung und
direkte Rückführung des aus dem
Plasmagefäß abgepumpten
Tritiums
4He
T
Li
Li
Tritiumaufbereitung
Deuterium
KühlungDampf-
erzeugerGenerator
Turbine
Heliumab-
fuhr
Lithium-Blanket
(regelmäßiger Austausch)
Plasmagefäß
T
D4He
n
Li
Li
Grafik: A. Kleiber
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 50
Weitere Roadmap Missions
Intrinsische Sicherheitseigenschaften
• Vermeidung leicht aktivierbarer Materialien
• Sicherstellen, dass Nachwärme (Blanket, Plasmagefäß) auch ohne
aktive Kühlung abgeführt werden kann
• Verwendung geeigneter Kühlmittel (z.B. Heliumkühlung)
• Minimierung des Tritiuminventars
• …
DEMO Design und Systementwicklung
• Wichtiger Aspekt: Physikalische und technische Lösungen müssen
kompatibel sein
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 51
Example of a complex problem: Plasma turbulence
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 52
Wichtige Entwicklungsschritte
Erhöhung des Triple-Produkts um 4 Größenordnungen
Entdeckung eines Einschlusskonzepts, welches in der Lage ist, ein
brennendes Fusionsplasma zu erzeugen: Tokamak (1968) und H-mode
(1984) bilden die Grundlage des ITER-Designs
Deuterium-Tritium-Betrieb in JET mit 16 MW Fusionsleistung (1997)
Entwicklung der Stellarator-Optimierung und Baubeginn von W7-X (1996)
Viele entscheidende Fortschritte bei der Entwicklung von
Fusionstechnologien, z.B.
Stationäre 1 MW-Mikrowellenröhren für die Plasmaheizung
Supraleitende Magnete aus Nb3Sn für höhere Magnetfelder
Stromzuführungen aus Hochtemperatur-Supraleitern
Austausch von Kohlenstoff als Material für die Wand des Plasmagefäßes
gegen Wolfram (2007 in ASDEX Upgrade, 2011 in JET, auch für ITER
vorgesehen)
Zunehmendes theoretisches Verständnis des Plasmaeinschlusses erlaubt
bessere Extrapolation (Hochleistungsrechner)
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 53
Weitere Roadmap Missions
Intrinsische Sicherheitseigenschaften
• Vermeidung leicht aktivierbarer Materialien
• Sicherstellen, dass Nachwärme (Blanket, Plasmagefäß) auch ohne
aktive Kühlung abgeführt werden kann
• Verwendung geeigneter Kühlmittel (z.B. Heliumkühlung)
• Minimierung des Tritiuminventars
• …
DEMO Design und Systementwicklung
• Wichtiger Aspekt: Physikalische und technische Lösungen müssen
kompatibel sein
Wirtschaftlichkeit
Stellarator
• Alternatives Einschlusskonzept, was günstigere Stabilitätseigenschaften
besitzt und bessere Wirtschaftlichkeit verspricht
Ringvorlesung Lise Meitner 54
Themen …
R Wolf, 26 November 2018
… Sonne und Fusion
… Fusion auf der Erde
… Wendelstein Experimente
… Wendelstein 7-X in
Greifswald
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 55
Wendelstein 7-X design required …
… eine aufwändige Optimierung für die Auslegung eines speziell
geformten Magnetfeldes
Physikalische Optimierung: Einschluss, Stabilität, Wärmeabfuhr, …
Ingenieursaufgaben: Baubare modulare Spulen, Tragstruktur, Präzision,
…
Erfordert Hochleistungsrechner
W7-X Spulenanordnung ist
die “natürliche” Lösung des
Optimierungsproblems
Grafik: IPP
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 56
Ein ganz speziell geformtes Magnetfeld
Magnetfeldstärke
3 T
Supraleitende Spulen
70
Kalte Masse /
Gesamtmasse
425 t / 700 t
Plasmavolumen
30 m3
Plasmadauer bis
30 Minuten
Heizleistung
10 MW
Maximale Wärmeflüsse
10 MW/m2
Grafik: IPP
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 57
Ein ganz speziell geformtes Magnetfeld
Magnetfeldstärke
3 T
Supraleitende Spulen
70
Kalte Masse /
Gesamtmasse
425 t / 700 t
Plasmavolumen
30 m3
Plasmadauer bis
30 Minuten
Heizleistung
10 MW
Maximale Wärmeflüsse
10 MW/m2
IPP, Bernhard Ludewig
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 58
Bau und Montage
Bereits der Bau einer solchen Anlage ist ein
Forschungs- und Entwicklungsprojekt
10 Jahre Montagedauer
(2005 – 2014)
www.youtube.com/watch?v=MJpSrqitSMQ
IPP, Wolfgang Filser
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 59
Bau und Montage
Eines von fünf 130
Tonnen
Magnetfeldmodulen
IPP, Beate Kemnitz
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 60
Bau und Montage
IPP, Bernhard Ludewig
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 61
Abkühlen 425 t kalter Masse auf -269C
He inlet
Coils
Support structure
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 62
Abkühlen 425 t kalter Masse auf -269C
4 K
He inlet
Coils
Support structure
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 63
Sichtbarmachen der Magnetfeldlinien
IPP, B. Kemnitz
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 64
Sichtbarmachen der Magnetfeldlinien
M. Otte, IPP 2015
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 65
Plasmaerzeugung, Plasmaheizung mit Mikrowellen
Übertragung mit Spiegeln durch
Luft
IPP, A. Richter-Ullmann
Mikrowellenröhren
mit 1 MW Leistung
IPP, U. Schwenn
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 66
Im Plasmagefäß (2017)
Ringvorlesung Lise Meitner67
Plasmabetrieb (September 2017)
R Wolf, 26 November 2018
Ringvorlesung Lise Meitner 68
Plasmastrukturen entlang Magnetfeldlinien in W7-X
R Wolf, 26 November 2018
Ringvorlesung Lise Meitner 69
Temperatur- und Dichteverlauf eines W7-X Plasmas
R Wolf, 26 November 2018
Courtesy U. HöfelPlasmadurchmesser (1 m)
Tem
pera
tur
(10 M
illio
nen
C)
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 70
Wärmeabfuhr am Plasmarand (“Inseldivertor”)
Kontrollierte Wärme- und Teilchenabfuhr durch offene
Magnetfeldlinien, die auf eigens dafür ausgelegte Targetplatten treffen
IR-Bild
(Tmax ~ 300C)
überlagert mit CAD
Darstellung der
Gefäßwand
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 71
Stationärer Betrieb: Wendelstein 7-X
Courtesy M. Kikuchi
W7-X
1.
Kampagne
2. KampagneW7-X ab 2021
2. Kampagne
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 72
Vollständige Kühlung des Plasmagefäßes bis 2021
Wasserverteiler für die Kühlung aller
Komponenten im Plasmagefäß
Speziell entwickeltes Target, welches stationäre
Wärmeflüsse bis 10 MW/m2 abführen kann
Grafik: IPP, Konstruktionsteam
IPP, P. Zasche
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 73
Zusammenfassung
Fusionsforschung hat die Grundlagen für die Erzeugung eines
ersten brennenden Fusionsplasma geschaffen
ITER und Wendelstein 7-X ergänzen sich
Wendelstein 7-X: Nachweis, dass das Konzept die
grundlegenden Eigenschaften für die Weiterentwicklung zu einem
Kraftwerk besitzt (kein D-T, keine Energieerzeugung)
ITER (Tokamak): Erstmalig kontrollierte Energieerzeugung durch
Fusion (500 MW Fusionsleistung bei 50 MW zugeführter
Leistung)
Wendelstein 7-X nutzt die fundamentalen Vorteile des
Stellarators
Intrinsisch stationärer Einschluss eines Fusionsplasmas
Wendelstein 7-X hat erfolgreich Messkampagnen abgeschlossen
Plasmen bis 30 Minuten Dauer ab 2021
R Wolf, 26 November 2018 Ringvorlesung Lise Meitner 74
Entscheidende Elemente für die weitere Entwicklung
• Verbesserte Konzepte
Wendelstein 7-X
• Erstes brennendes Fusionsplasma,
erstmalig Tritiumbrüten
ITER
• Physikalisches Verständnis
Extrapolation
• Technologieentwicklung
Z.B. HT-Supraleiter
• Niedrig aktivierbare Materialien
Neutronenquelle
• Erstes integriertes Design eines
Demonstrationskraftwerkswww.euro-fusion.org/eurofusion/roadmap/
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