Kernfusion erreicht dank besserer Reaktorwände einen Meilenstein

Wissenschaftler eines Labors in England haben den Rekord für die Energiemenge gebrochen, die während einer kontrollierten, anhaltenden Fusionsreaktion erzeugt wird. Die Produktion von 59 Megajoule Energie über fünf Sekunden beim Joint European Torus (JET) Experiment in England von einigen Nachrichtenagenturen als „Durchbruch“ bezeichnet und unter Physikern für viel Aufregung gesorgt. Aber eine gemeinsame Linie bzgl Fusionsstromerzeugung ist es „immer 20 Jahre entfernt"

Wir sind ein Kernphysiker und einem Nuklearingenieur die untersuchen, wie man eine kontrollierte Kernfusion zum Zweck der Stromerzeugung entwickelt.

Das JET-Ergebnis demonstriert bemerkenswerte Fortschritte beim Verständnis der Physik der Fusion. Aber ebenso wichtig ist, dass es zeigt, dass die neuen Materialien, die zum Bau der Innenwände des Fusionsreaktors verwendet wurden, wie beabsichtigt funktionierten. Die Tatsache, dass die neue Wandkonstruktion genauso gut funktionierte, unterscheidet diese Ergebnisse von früheren Meilensteinen und erhöht die magnetische Fusion aus einem Traum hin zu einer Realität.

Teilchen miteinander verschmelzen

Kernfusion ist die Verschmelzung zweier Atomkerne zu einem zusammengesetzten Kern. Dieser Kern bricht dann auseinander und setzt Energie in Form neuer Atome und Teilchen frei, die von der Reaktion wegschnellen. Ein Fusionskraftwerk würde die austretenden Teilchen einfangen und ihre Energie zur Stromerzeugung nutzen.

Es gibt ein paar verschiedene Möglichkeiten, die Fusion auf der Erde sicher zu kontrollieren. Unsere Forschung konzentriert sich auf den Ansatz von JET: using starke Magnetfelder, um Atome einzuschließen bis sie auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt werden, damit sie verschmelzen.

Als Brennstoff für aktuelle und zukünftige Reaktoren werden zwei unterschiedliche Isotope des Wasserstoffs – das heißt, sie haben ein Proton, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen – bezeichnet Deuterium und Tritium. Normaler Wasserstoff hat ein Proton und keine Neutronen in seinem Kern. Deuterium hat ein Proton und ein Neutron, während Tritium ein Proton und zwei Neutronen hat.

Damit eine Fusionsreaktion gelingt, müssen die Brennstoffatome zunächst so heiß werden, dass sich die Elektronen aus den Kernen lösen. Dadurch entsteht ein Plasma – eine Ansammlung positiver Ionen und Elektronen. Sie müssen dieses Plasma dann weiter erhitzen, bis es eine Temperatur von über 200 Millionen Grad Fahrenheit (100 Millionen Celsius) erreicht. Dieses Plasma muss auf engstem Raum bei hoher Dichte über einen ausreichend langen Zeitraum aufbewahrt werden Brennstoffatome, die miteinander kollidieren und miteinander verschmelzen.

Um die Fusion auf der Erde zu kontrollieren, entwickelten Forscher ringförmige Geräte –Tokamaks genannt – die Magnetfelder verwenden, um das Plasma einzudämmen. Magnetfeldlinien, die sich um die Innenseite des Donuts wickeln, wirken wie Bahngleise, denen die Ionen und Elektronen folgen. Indem man Energie in das Plasma einspeist und aufheizt, ist es möglich, die Brennstoffteilchen auf so hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen, dass beim Aufprall die Brennstoffkerne miteinander verschmelzen, anstatt voneinander abzuprallen. Wenn dies geschieht, setzen sie Energie frei, hauptsächlich in Form von sich schnell bewegenden Neutronen.

Während des Fusionsprozesses driften Brennstoffpartikel allmählich vom heißen, dichten Kern weg und kollidieren schließlich mit der Innenwand des Fusionsgefäßes. Um zu verhindern, dass sich die Wände aufgrund dieser Kollisionen zersetzen – was wiederum auch den Fusionsbrennstoff kontaminiert – sind Reaktoren so gebaut, dass sie die abtrünnigen Partikel in eine schwer gepanzerte Kammer namens Divertor leiten. Dadurch werden die umgeleiteten Partikel herausgepumpt und überschüssige Wärme abgeführt, um den Tokamak zu schützen.

Die Wände sind wichtig

Eine große Einschränkung früherer Reaktoren war die Tatsache, dass Divertoren den konstanten Partikelbeschuss nicht länger als ein paar Sekunden überleben können. Damit die Fusionsenergie wirtschaftlich funktioniert, müssen Ingenieure ein Tokamak-Schiff bauen, das den jahrelangen Einsatz unter den für die Fusion erforderlichen Bedingungen übersteht.

Die Divertorwand ist die erste Überlegung. Obwohl die Kraftstoffpartikel viel kühler sind, wenn sie den Divertor erreichen, haben sie immer noch genug Energie dafür schlagen Atome aus dem Wandmaterial des Divertors heraus, wenn sie damit kollidieren. Zuvor hatte der Divertor von JET eine Wand aus Graphit, aber Graphit absorbiert und fängt zu viel Kraftstoff für die praktische Verwendung ein.

Um 2011 rüsteten Ingenieure bei JET den Divertor und die inneren Behälterwände auf Wolfram auf. Wolfram wurde zum Teil gewählt, weil es den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle hat – eine äußerst wichtige Eigenschaft, wenn der Divertor wahrscheinlich nahezu Hitzebelastungen ausgesetzt ist 10 Mal höher als die Nase eines Space Shuttles Wiedereintritt in die Erdatmosphäre. Die Gefäßinnenwand des Tokamaks wurde von Graphit auf Beryllium aufgewertet. Beryllium hat hervorragende thermische und mechanische Eigenschaften für einen Fusionsreaktor – es nimmt weniger Kraftstoff auf als Graphit, hält aber dennoch den hohen Temperaturen stand.

Die Energie, die JET erzeugte, machte Schlagzeilen, aber wir würden argumentieren, dass es tatsächlich die Verwendung der neuen Wandmaterialien ist, die das Experiment wirklich beeindruckend machen, da zukünftige Geräte diese robusteren Wände benötigen werden, um noch länger mit hoher Leistung zu arbeiten von Zeit. JET ist ein erfolgreicher Machbarkeitsnachweis für den Bau der nächsten Generation von Fusionsreaktoren.

Die nächsten Fusionsreaktoren

Der JET-Tokamak ist der größte und fortschrittlichste Magnetfusionsreaktor, der derzeit in Betrieb ist. Aber vor allem die nächste Generation von Reaktoren ist bereits in Arbeit das ITER-Experiment, das 2027 in Betrieb gehen soll. ITER, was lateinisch für „der Weg“ ist, ist in Frankreich im Bau und finanziert und geleitet von einer internationalen Organisation, zu der auch die USA gehören.

ITER wird viele der materiellen Fortschritte nutzen, die sich bei JET als realisierbar erwiesen haben. Aber es gibt auch einige wesentliche Unterschiede. Erstens ist ITER massiv. Die Fusionskammer ist 37 Fuß (11.4 Meter) hoch und 63 Fuß (19.4 Meter) um, mehr als achtmal größer als JET. Darüber hinaus wird ITER supraleitende Magnete verwenden, die in der Lage sind, zu produzieren stärkere Magnetfelder für längere Zeit im Vergleich zu den Magneten von JET. Mit diesen Upgrades wird ITER voraussichtlich die Fusionsrekorde von JET brechen, sowohl in Bezug auf die Energieabgabe als auch auf die Dauer der Reaktion.

Von ITER wird auch erwartet, dass es etwas zentrales für die Idee eines Fusionskraftwerks tut: mehr Energie erzeugen, als zum Erhitzen des Brennstoffs benötigt wird. Modelle sagen voraus, dass ITER 500 Sekunden lang kontinuierlich etwa 400 Megawatt Leistung erzeugen wird, während es nur 50 MW Energie verbraucht, um den Brennstoff zu erhitzen. Damit ist der Reaktor gemeint 10-mal mehr Energie produziert als verbraucht– eine enorme Verbesserung gegenüber JET, die erforderlich war ungefähr dreimal mehr Energie, um den Kraftstoff zu erhitzen, als er erzeugte für seine jüngste 59 Megajoule Rekord.

Die jüngsten Aufzeichnungen von JET haben gezeigt, dass sich jahrelange Forschung in der Plasmaphysik und Materialwissenschaft ausgezahlt und Wissenschaftler an die Türschwelle gebracht hat, um die Fusion für die Stromerzeugung nutzbar zu machen. ITER wird einen enormen Sprung nach vorn in Richtung des Ziels von Fusionskraftwerken im industriellen Maßstab machen.

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Bild-Kredit: Rswilcox/Wikimedia Commons

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• Quelle: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/