Nachricht

Jun 13, 2023

Ein kompakter Fusionsreaktor mit einem Durchmesser von kaum einem Meter hat einen großen Meilenstein erreicht: ScienceAlert

Ionen in einem kompakten Fusionsreaktor mit einem Durchmesser von kaum einem Meter

Ionen in einem kompakten Fusionsreaktor mit einem Durchmesser von kaum einem Meter (weniger als 3 Fuß) wurden zum ersten Mal auf die magische Zahl von 100 Millionen Grad Celsius (etwa 180 Millionen Grad Fahrenheit) erhitzt – ein monumentaler Schritt hin zur praktischen Umsetzung der Kernfusionsenergie Wirklichkeit.

Forscher von Tokamak Energy Ltd im Vereinigten Königreich, dem Princeton and Oak Ridge National Laboratory in den USA und dem Institut für Energie- und Klimaforschung in Deutschland erreichten den Rekord mit einem Gerät an einem kugelförmigen Tokamak (ST), der im Gegensatz zum eher kreisförmigen „ Donutförmige“ Pfade, die erhitzten Brennstoff in größeren Reaktoren aufnimmt, halten das Plasma in einem „kernapfelförmigen“ Wirbel fest, der die Stabilität und Praktikabilität der Stromerzeugung verbessern soll.

Die Kernfusion reproduziert grundlegende Prozesse im Kern unserer eigenen Sonne und ähnlicher Sterne und quetscht Energie aus der Verschmelzung kleinerer Elemente zu größeren. Wenn wir es richtig hinbekommen – und das ist ein ziemlich großes Wenn –, könnte es sich um eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle handeln, wenn auch eine, die immer noch einige Risiken birgt.

Wo Sterne über große Mengen an Schwerkraft verfügen, um Elemente zu verschmelzen und Energie freizusetzen, sind wir gezwungen, auf Wärme angewiesen zu sein. Tatsächlich ist es eine Menge Wärme, die um ein Vielfaches heißer ist als der Kern der Sonne.

Das Erhitzen der atomaren Bestandteile oder Ionen auf mindestens 100 Millionen Grad Celsius (im Wesentlichen alles über 100 Millionen Grad Kelvin oder energetisch gesehen 8,6 Kiloelektronenvolt) ist entscheidend, um die richtigen Drücke zu erreichen.

„Ionentemperaturen von mehr als 5 keV [Kiloelektronenvolt] wurden bisher in keinem ST erreicht und wurden nur in viel größeren Geräten mit wesentlich höherer Plasmaheizleistung erreicht“, schreiben die Forscher in ihrer veröffentlichten Arbeit.

In diesem Fall wurde ein kugelförmiger Tokamak namens ST40 verwendet. Wenn man die für einen sicheren Betrieb notwendigen Maschinen beiseite lässt, ist der Reaktor selbst nur 0,8 Meter breit, ein Bruchteil der größeren Tokamaks, die einen Durchmesser von mehreren Metern erreichen können.

Im Vergleich zu größeren Fusionsreaktoren sind diese kleineren Geräte kostengünstiger zu bauen und möglicherweise effizienter und stabiler – alles Vorteile, wenn Sie eine Technologie kommerziell nutzbar machen wollen.

Um den neuen Temperaturrekord zu erreichen, führten die Forscher eine Reihe von Optimierungen durch, darunter die Verwendung des ST selbst und die Art und Weise, wie das Plasma im Hinblick auf seine Erhitzung und seine Elektronendichte vorbereitet wurde.

Einige Techniken wurden von „Supershot“-Experimenten übernommen, die in den 1990er Jahren im Tokamak-Fusionstestreaktor durchgeführt wurden, der viel größer als der ST40 ist. Im Wesentlichen bestand der Ansatz darin, dass in sehr kurzer Zeit viel Wärme zugeführt wurde.

Ein weiterer Optimierungstrick der Wissenschaftler bestand darin, die positiv geladenen Ionen im Inneren des Plasmas stärker zu erhitzen als die negativ geladenen Elektronen. Der sogenannte Hot-Ion-Modus trägt dazu bei, die Anzahl der Reaktionen und die Leistung des Tokamaks zu erhöhen.

„Diese Temperaturen wurden im Hot-Ion-Modus erreicht, bei dem die Ionentemperatur die der Elektronen typischerweise um den Faktor zwei oder mehr übersteigt“, schreiben die Forscher.

Während dieser und ähnliche Durchbrüche sicherlich aufregend sind, befindet sich die Kernfusion noch in einer Testphase, in der noch zahlreiche Hürden zu überwinden sind, bevor sie als praktische Energiequelle in Betracht gezogen werden kann. Angesichts der damit verbundenen technischen Herausforderungen glaubt nicht jeder, dass die Stromerzeugung durch Kernfusion letztendlich möglich sein wird.

Diese Herausforderungen werden auch hier hervorgehoben: Die Höchsttemperatur wurde nur 150 Millisekunden lang erreicht. Eine gute Leistung im Labor, aber nicht viel Zeit, um praktisch etwas zum Energienetz beizutragen.

Dennoch bringt uns jede Entdeckung dem Endziel näher – und diese ist besonders bemerkenswert, wenn man bedenkt, dass kugelförmige Tokamaks eine der vielversprechendsten Optionen sind, um Kernfusionsreaktionen so zu erzeugen, dass die notwendigen Energie- und Wirtschaftsgleichungen am Ende einen Sinn ergeben.

„Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass in einem kompakten Hochfeld-ST relevante Ionentemperaturen für die kommerzielle Fusion mit magnetischem Einschluss erreicht werden können, und verheißen Gutes für Fusionskraftwerke, die auf dem Hochfeld-ST basieren“, schreiben die Forscher.

Die Forschung wurde in Nuclear Fusion veröffentlicht.