Der „Durchbruch“ des Kernfusionsreaktors ist bedeutend, aber Lichtjahre davon entfernt, nützlich zu sein
Wissenschaftler haben gerade einen Durchbruch in angekündigt Kernfusion Zündung: Erstmals hat das Herz eines leistungsstarken Fusionsreaktors kurzzeitig mehr Energie erzeugt, als ihm zugeführt wurde. Aber Experten raten zur Vorsicht und sagen, dass der Durchbruch zwar enorm bedeutsam, aber noch weit von einer sicheren, grenzenlosen Kernenergie entfernt ist.
Am Dienstag (13. Dezember) gaben Physiker der von der US-Regierung finanzierten National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien bekannt, dass sie in der Lage waren, einen Laser mit einer Energie von etwa 2 Megajoule in ein winziges Brennstoffpellet zu feuern wenn zwei Wasserstoffisotope die Atome in Plasma verwandeln und 3 Megajoule Energie erzeugen – eine Steigerung von 50 %.
Wissenschaftler raten jedoch zur Vorsicht bei der Interpretation dieser Ergebnisse. Der Reaktor als Ganzes erzeugte keinen Nettogewinn an Energie. Damit eine Fusionsreaktion praktisch nutzbar ist, müssten die aus dem Stromnetz entnommenen, in Laserstrahlen umgewandelten und in den Reaktorkern geschossenen zehn Megajoule deutlich geringer sein als die vom Plasma freigesetzte Energie.
Aber der neue Meilenstein der Plasmazündung berücksichtigt nur die Laserenergie und die Plasmaenergie, nicht den beträchtlichen Verlust durch die Umwandlung von Elektrizität in Licht.
Außerdem findet die Reaktion in einem winzigen Brennstoffpellet im größten Laser der Welt statt, dauert nur wenige Milliardstel Sekunden und kann nur alle sechs Stunden wiederholt werden. Dies macht die Reaktion für praktische Zwecke viel zu ineffizient.
„Der Nettoenergiegewinn ist ein bedeutender Meilenstein, aber um es ins rechte Licht zu rücken, bedeutet dies, dass die Fusion jetzt dort ist, wo Fermi vor etwa achtzig Jahren die Spaltung einführte“, Ian Lowe, ein Physiker und emeritierter Professor an der Griffith University in Australien, gegenüber Live Science. „Das große technische Problem besteht darin, eine Plasmamasse auf einer Temperatur von mehreren Millionen Grad zu halten, um eine Fusion zu ermöglichen, während gleichzeitig genug Wärme extrahiert wird, um nützliche Energie bereitzustellen. Ich habe immer noch kein glaubwürdiges schematisches Diagramm eines Fusionsreaktors gesehen, der dieses Ziel erreicht. „
Wie Fusionsreaktoren funktionieren
Bestehende Fusionsreaktoren können in zwei große Kategorien eingeteilt werden: Trägheitsreaktoren wie die NIFs, die das heiße Plasma mit Lasern oder Teilchenstrahlen enthalten, und magnetische Einschlussreaktoren wie der in Großbritannien ansässige Joint European Torus (JET), Europas kommender ITER , und Chinas Experimental Advanced Supraconductor Tokamak (EAST), die das Plasma mit starken Magnetfeldern in verschiedene Torusformen formen. Bei ITER wird das Feld sein, das das brennende Plasma einschließt 280.000 Mal so stark wie die um Erde.
Die unterschiedlichen Reaktortypen spiegeln unterschiedliche Strategien zur Überwindung der einschüchternden technischen Barrieren der Fusion wider. Magnetische Einschlussreaktoren, bekannt als Tokamaks, zielen darauf ab, das Plasma über einen längeren Zeitraum kontinuierlich brennen zu lassen (das Ziel von ITER ist es, dies für bis zu 400 Sekunden zu tun). Aber obwohl Tokamaks immer näher kommen, müssen sie noch einen Nettoenergiegewinn aus ihrem Plasma erzielen.
Auf der anderen Seite erzeugen Trägheitseinschlusssysteme wie der NIF-Reaktor, der auch zum Testen thermonuklearer Explosionen für militärische Zwecke dient, Energiestöße, indem sie schnell ein winziges Stück Brennstoff nach dem anderen verbrennen. Dieser Brennstoff liegt jedoch in Form von einzelnen Pellets vor, und die Wissenschaftler müssen noch herausfinden, wie sie schnell genug ersetzt werden können, um eine Reaktion länger als die kleinsten Bruchteile einer Sekunde aufrechtzuerhalten.
„Das ist sehr, sehr knifflig, weil es bedeuten würde, dass Sie Ihr nächstes Pellet in der Zeit positionieren müssten, in der die [plasma] Wolke dehnt sich im Gefäß aus“, Yves Martin, der stellvertretende Direktor des Swiss Plasma Center an der École polytechnique fédérale de Lausanne in der Schweiz, gegenüber Live Science. „Dieses Pellet ist typischerweise einen Millimeter groß [0.04 inches] großen Durchmesser und muss in einem neun Meter großen Raum aufgestellt werden. Soweit ich weiß, kostet es immer noch mehrere zehntausend Dollar [to get the reaction going]. Um interessant zu sein, sollte es auf einen Dollar oder sogar weniger sinken.“
Ein sehr teures Isotop
Ein weiteres Problem für Fusionsreaktoren sind die schwindenden Vorräte an Tritium, einem Schlüsselisotop, das mit Deuterium als Brennstoff für die Reaktion kombiniert wird. Einst ein übliches und unerwünschtes Nebenprodukt von Atomwaffentests und Kernspaltung – das Atome spaltet, anstatt sie zu kombinieren und viel mehr radioaktiven Abfall zu produzieren – bedeutet die Halbwertszeit von Tritium von 12,3 Jahren, dass ein Großteil seines Bestands bereits auf dem Weg ist, unbrauchbar zu werden , was es zu einer der teuersten Substanzen der Erde macht bei 30.000 $ pro Gramm.
Physiker haben andere Methoden zur Herstellung von Tritium vorgeschlagen, wie z. B. die Züchtung in Kernreaktoren, die Streuneutronen einfangen. Pläne zum Testen der Tritiumzüchtung bei ITER wurden jedoch verworfen, da die Kosten für ITER in die Höhe schossen.
Fusionsforscher glauben, dass, wenn der politische Wille gefunden und die technischen Herausforderungen gelöst werden, die ersten brauchbaren Fusionsreaktoren bereits 2040 ans Netz gehen könnten. Aber das ist noch zehn Jahre zu spät, um die globale Erwärmung unter dem Ziel von 1,5 Grad Celsius zu halten (2.7.2020). Grad Fahrenheit), bis 2030.
„Entscheidungsträger sehnen sich nach dem heiligen Gral sauberer Energie aus einer reichlich vorhandenen Ressource“, sagte Lowe. „Nachdem sie Unmengen für die Fusionsforschung ausgegeben haben, geben sie nur ungern auf, so wie sie Jahrzehnte damit verbracht haben, der Fantasie des Brutreaktors nachzujagen [a fission reactor which outputs more energy than it consumes].“
Nichtsdestotrotz hat die Fusionstechnologie in den letzten Jahren einen stetigen Strom von Verbesserungen erfahren. Dazu gehört eine erfolgreiche Testversion von KI zu Kontrollieren Sie das Plasma in einem Tokamak; a erschossen von Aufzeichnungen in der Stromerzeugung, Plasmabrennzeit und Reaktortemperaturen über mehrere Experimente hinweg; und die Neufassung einer Grundregel wodurch künftige Reaktoren doppelt so viel Strom erzeugen könnten. Angesichts dieser Fortschritte bestehen Physiker darauf, dass mehrere Strategien zur Lösung der Klimakrise notwendig sind und dass die Kernfusion zu einem wesentlichen Bestandteil eines zukünftigen kohlenstofffreien Energiesystems werden wird.
„Wenn wir uns nur auf erneuerbare Energien verlassen wollten, bräuchten wir einen solchen Überschuss an Installationen, um die Energiemenge zu haben, die Sie normalerweise im Winter oder in windstillen Zeiten benötigen würden. Wir brauchen etwas, das das Basisniveau dafür ist produzieren genau das, was Sie wollen“, sagte Martin. „Nicht weil ich an die Kernfusion glaube, werde ich keine Sonnenkollektoren auf mein Dach stellen. In gewisser Weise müssen wir wirklich alles nutzen, was besser ist als fossile Brennstoffe.“