Amerikanische Wissenschaftler haben einen, wie sie es nennen, bedeutenden Durchbruch bei einem lang ersehnten Ziel, Energie aus Kernfusion zu erzeugen, angekündigt.
Das US-Energieministerium sagte am 13. Dezember 2022, dass es Wissenschaftlern zum ersten Mal – und nach mehreren Jahrzehnten des Versuchs – gelungen sei, mehr Energie aus dem Prozess herauszuholen, als sie hineinstecken mussten.
Aber wie bedeutsam ist die Entwicklung? Und wie weit entfernt ist der lang ersehnte Traum von der Fusion, die reichlich saubere Energie liefert? Carolin Kuranz, ein außerordentlicher Professor für Nukleartechnik an der University of Michigan, der an der Einrichtung gearbeitet hat, die gerade den Fusionsrekord gebrochen hat, hilft bei der Erklärung dieses neuen Ergebnisses.
Was geschah in der Fusionskammer?
Fusion ist eine Kernreaktion, die zwei Atome kombiniert, um ein oder mehrere neue Atome mit etwas weniger Gesamtmasse zu erzeugen. Der Massenunterschied wird als Energie freigesetzt, wie durch Einsteins berühmte Gleichung E = mc beschrieben2 , wobei Energie gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat ist. Da die Lichtgeschwindigkeit enorm ist, erzeugt die Umwandlung von nur einer winzigen Menge Masse in Energie – wie bei der Fusion – eine ähnlich enorme Energiemenge.
Forscher der US-Regierung National Ignition Facility in Kalifornien haben erstmals die sogenannte „Fusion Ignition“ demonstriert. Zündung ist, wenn eine Fusionsreaktion mehr Energie erzeugt, als von einer externen Quelle in die Reaktion gesteckt wird, und sich selbst erhält.
Die in der National Ignition Facility verwendete Technik bestand darin, 192 Laser auf a zu schießen 0.04 Zoll (1 mm) Brennstoffpellet aus Deuterium und Tritium – zwei Versionen des Elements Wasserstoff mit zusätzlichen Neutronen – in einem goldenen Kanister. Wenn die Laser auf den Kanister treffen, erzeugen sie Röntgenstrahlen, die das Brennstoffpellet erhitzen und auf die etwa 20-fache Dichte von Blei und auf mehr als 5 Millionen Grad Celsius (3 Millionen Grad Fahrenheit) komprimieren – etwa 100 Mal heißer als die Oberfläche des Sonne. Wenn Sie diese Bedingungen lange genug aufrechterhalten können, wird die Brennstoff wird schmelzen und Energie freisetzen.
Der Treibstoff und der Kanister werden während des Experiments innerhalb weniger Milliardstel Sekunden verdampft. Die Forscher hoffen dann, dass ihre Ausrüstung die Hitze überlebt und die durch die Fusionsreaktion freigesetzte Energie genau gemessen hat.
Was haben sie also erreicht?
Um den Erfolg eines Fusionsexperiments zu beurteilen, betrachten Physiker das Verhältnis zwischen der beim Fusionsprozess freigesetzten Energie und der Energiemenge in den Lasern. Dieses Verhältnis ist Gewinn genannt.
Alles über einem Gewinn von eins bedeutet, dass der Fusionsprozess mehr Energie freigesetzt hat, als die Laser geliefert haben.
Am 5. Dezember 2022 schoss die National Ignition Facility ein Brennstoffpellet mit zwei Millionen Joule Laserenergie – ungefähr der Energiemenge, die benötigt wird, um einen Haartrockner 15 Minuten lang zu betreiben – alles innerhalb weniger Milliardstel Sekunden. Dies löste eine Fusionsreaktion aus, die drei Millionen Joule freigesetzt. Das ist ein Gewinn von etwa 1.5 und bricht damit den bisherigen Rekord von einem Gewinn von 0.7 wurde von der Einrichtung im August 2021 erreicht.
Wie groß ist dieses Ergebnis?
Fusionsenergie ist seit jeher der „Heilige Gral“ der Energiegewinnung fast ein halbes Jahrhundert. Während ein Gewinn von 1.5 meiner Meinung nach ein wirklich historischer wissenschaftlicher Durchbruch ist, ist es noch ein langer Weg, bis die Fusion eine brauchbare Energiequelle ist.
Während die Laserenergie von 2 Millionen Joule geringer war als die Fusionsausbeute von 3 Millionen Joule, nahm sie die Anlage fast in Anspruch 300 Millionen Joule, um die Laser herzustellen in diesem Experiment verwendet. Dieses Ergebnis hat gezeigt, dass eine Fusionszündung möglich ist, aber es wird viel Arbeit erfordern, die Effizienz so weit zu verbessern, dass die Fusion eine positive Nettoenergierückgabe liefern kann, wenn das gesamte End-to-End-System berücksichtigt wird, nicht nur a einzelne Wechselwirkung zwischen den Lasern und dem Kraftstoff.
Was muss verbessert werden?
Es gibt eine Reihe von Teilen des Fusionspuzzles, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten stetig verbessern, um dieses Ergebnis zu erzielen, und weitere Arbeiten können diesen Prozess effizienter machen.
Zuerst waren nur Laser erfunden in 1960. Als die US-Regierung abgeschlossener Bau der National Ignition Facility im Jahr 2009, es war die leistungsstärkste Laseranlage der Welt, die liefern konnte eine Million Joule Energie auf ein Ziel. Die zwei Millionen Joule, die es heute produziert, sind 50-mal energiereicher als die zweitstärkste Laser der Erde. Leistungsstärkere Laser und weniger energieintensive Methoden zur Herstellung dieser leistungsstarken Laser könnten die Gesamteffizienz des Systems erheblich verbessern.
Fusionsbedingungen sind sehr schwierig zu haltenund alle kleine Unvollkommenheit in der Kapsel oder im Kraftstoff kann den Energiebedarf erhöhen und die Effizienz verringern. Wissenschaftler haben große Fortschritte gemacht effizientere Energieübertragung vom Laser zum Kanister und für Röntgenstrahlung vom Kanister zur Brennstoffkapsel, aber derzeit nur ca 10 um 30 Prozent der gesamten Laserenergie wird auf den Kanister und den Kraftstoff übertragen.
Schließlich, während ein Teil des Brennstoffs, Deuterium, natürlich ist reichlich im Meerwasser, Tritium ist viel seltener. Fusion selbst produziert tatsächlich Tritium, daher hoffen die Forscher, Wege zur direkten Gewinnung dieses Tritiums zu entwickeln. Inzwischen gibt es andere verfügbare Methoden, um den benötigten Brennstoff herzustellen.
Diese und andere wissenschaftliche, technologische und technische Hürden müssen überwunden werden, bevor die Kernfusion Strom für Ihr Zuhause produziert. Es muss auch daran gearbeitet werden, die Kosten eines Fusionskraftwerks deutlich unter die Kosten zu senken 3.5 Milliarden US-Dollar der National Ignition Facility. Diese Schritte erfordern erhebliche Investitionen sowohl von der Bundesregierung als auch von der Privatwirtschaft.
Es ist erwähnenswert, dass es einen globalen Wettlauf um die Fusion gibt, mit vielen anderen Labors auf der ganzen Welt verschiedene Techniken verfolgen. Aber mit dem neuen Ergebnis der National Ignition Facility hat die Welt zum ersten Mal Beweise dafür gesehen, dass die Der Traum von der Fusion ist realisierbar.
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Bild-Kredit: US-Energieministerium/Lawrence Livermore National Laboratory
