Illustration eines Fusionsreaktors Tokamak. (dani3315/Getty Images) Wissenschaftler eines Labors in England haben hat den Rekord gebrochen für die Energiemenge, die während einer kontrollierten, anhaltenden Fusionsreaktion erzeugt wird.
Die Produktion von 59 Megajoule Energie in fünf Sekunden beim Joint European Torus – oder JET – Experiment in England von einigen Nachrichtenagenturen als „Durchbruch“ bezeichnet und sorgte bei den Physikern für große Aufregung.
Ein allgemeiner Standpunkt in Bezug auf die Erzeugung von Fusionsstrom ist jedoch, dass es „ immer 20 Jahre entfernt .'
Wir sind ein Kernphysiker und ein Nuklearingenieur die lernen, wie man sich kontrolliert entwickelt Kernfusion zum Zwecke der Stromerzeugung.
Das JET-Ergebnis zeigt bemerkenswerte Fortschritte im Verständnis der Fusionsphysik. Aber genauso wichtig ist, dass es zeigt, dass die neuen Materialien, die zum Bau der Innenwände des Fusionsreaktors verwendet wurden, wie vorgesehen funktionierten.
Die Tatsache, dass der neue Mauerbau so gut funktioniert hat, unterscheidet diese Ergebnisse von früheren Meilensteinen und macht die Magnetfusion von einem Traum zur Realität.
Partikel miteinander verschmelzen
Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung zweier Atomkerne zu einem zusammengesetzten Kern. Dieser Kern zerfällt dann und setzt Energie in Form neuer Atome und Teilchen frei, die der Reaktion entkommen. A Fusionskraft Die Anlage würde die austretenden Partikel einfangen und ihre Energie zur Stromerzeugung nutzen.
Es gibt ein paar verschiedene Möglichkeiten, die Fusion auf der Erde sicher zu kontrollieren . Der Fokus unserer Forschung liegt auf dem Ansatz von JET – dem Using Starke Magnetfelder, um Atome einzuschließen bis sie auf eine Temperatur erhitzt werden, die hoch genug ist, dass sie verschmelzen.
Der Brennstoff für aktuelle und zukünftige Reaktoren sind zwei unterschiedliche Wasserstoffisotope – das heißt, sie haben ein Proton, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen – genannt 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 Plasma – eine Ansammlung positiver Ionen und Elektronen.
Anschließend müssen Sie das Plasma weiter erhitzen, bis es eine Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius erreicht. Dieses Plasma muss dann in einem begrenzten Raum bei hoher Dichte über einen ausreichend langen Zeitraum gehalten werden Brennstoffatome kollidieren miteinander und verschmelzen miteinander .
Um die Fusion auf der Erde zu kontrollieren, entwickelten Forscher Donut-förmige Geräte – sogenannte Tokamaks – die Magnetfelder nutzen, um das Plasma einzudämmen. Magnetische Feldlinien, die sich um die Innenseite des Donuts wickeln, wirken wie folgt Bahngleise, denen die Ionen und Elektronen folgen .
Durch die Einspeisung von Energie in das Plasma und dessen Erhitzung ist es möglich, die Brennstoffpartikel auf so hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen, dass die Brennstoffkerne beim Zusammenstoß nicht aneinander abprallen, sondern miteinander verschmelzen. Wenn dies geschieht, setzen sie Energie frei, hauptsächlich in Form sich schnell bewegender Neutronen .
Während des Fusionsprozesses driften Brennstoffpartikel nach und nach vom heißen, dichten Kern weg und kollidieren schließlich mit der Innenwand des Fusionsgefäßes.
Um zu verhindern, dass sich die Wände aufgrund dieser Kollisionen verschlechtern – was wiederum auch den Fusionsbrennstoff verunreinigt – werden Reaktoren so gebaut, dass sie die unberechenbaren Partikel in eine stark gepanzerte Kammer namens Divertor leiten. Dadurch werden die umgeleiteten Partikel abgepumpt und überschüssige Wärme abgeführt, um den Tokamak zu schützen.
Die Wände sind wichtig
Eine große Einschränkung bisheriger Reaktoren war die Tatsache, dass Divertoren dem ständigen Teilchenbeschuss nicht länger als ein paar Sekunden standhalten konnten. Um die Fusionsenergie kommerziell nutzen zu können, müssen Ingenieure ein Tokamak-Schiff bauen, das jahrelang unter den für die Fusion erforderlichen Bedingungen eingesetzt werden kann.
Die Divertorwand ist die erste Überlegung. Obwohl die Kraftstoffpartikel viel kühler sind, wenn sie den Divertor erreichen, verfügen sie immer noch über genügend Energie Beim Aufprall werden Atome aus dem Wandmaterial des Divertors geschleudert .
Zuvor hatte der Divertor von JET eine Wand aus Graphit, aber Graphit absorbiert und fängt für den praktischen Gebrauch zu viel Kraftstoff ein .
Etwa im Jahr 2011 rüsteten die Ingenieure von JET den Divertor und die Innenwände des Gefäßes auf Wolfram um. Die Wahl fiel teilweise auf Wolfram, weil es von allen Metallen den höchsten Schmelzpunkt hat – eine äußerst wichtige Eigenschaft, wenn der Divertor wahrscheinlich starken Hitzebelastungen ausgesetzt ist Zehnmal höher als der Bugkegel eines Space Shuttles Wiedereintritt in die Erdatmosphäre.
Die innere Gefäßwand des Tokamaks wurde von Graphit auf Beryllium umgestellt. Beryllium hat für einen Fusionsreaktor hervorragende thermische und mechanische Eigenschaften – es nimmt weniger Kraftstoff auf als Graphit, hält aber dennoch den hohen Temperaturen stand .
Die erzeugte Energie, die JET erzeugte, sorgte für Schlagzeilen, aber wir sind der Ansicht, dass es tatsächlich die Verwendung der neuen Wandmaterialien ist, die das Experiment wirklich beeindruckend macht, da zukünftige Geräte diese robusteren Wände benötigen werden, um über noch längere Zeiträume mit hoher Leistung zu arbeiten von Zeit.
JET ist ein erfolgreicher Proof of Concept 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. Vor allem aber ist die nächste Generation von Reaktoren bereits in Arbeit das ITER-Experiment , soll 2027 seinen Betrieb aufnehmen.
ITER – lateinisch für „der Weg“ – wird in Frankreich gebaut und von einer internationalen Organisation finanziert und geleitet, zu der auch die USA gehören.
ITER wird viele der materiellen Fortschritte nutzen, die sich als realisierbar erwiesen haben. Es gibt aber auch einige wesentliche Unterschiede. Erstens ist ITER riesig. Die Fusionskammer ist 37 Fuß (11,4 Meter) hoch und 63 Fuß (19,4 Meter) im Umfang – mehr als achtmal größer als JET.
Darüber hinaus wird ITER supraleitende Magnete nutzen, die in der Lage sind, Strom zu erzeugen stärkere Magnetfelder über längere Zeiträume im Vergleich zu JETs Magneten. Es wird erwartet, dass ITER mit diesen Modernisierungen die Fusionsrekorde von JET brechen wird – sowohl hinsichtlich der Energieausbeute als auch der Laufzeit der Reaktion.
Es wird auch erwartet, dass ITER etwas Zentrales für die Idee eines Fusionskraftwerks leistet: mehr Energie produzieren, als zum Erhitzen des Brennstoffs erforderlich ist. Modelle gehen davon aus, dass ITER 400 Sekunden lang ununterbrochen rund 500 Megawatt Leistung erzeugen wird, während zum Erhitzen des Brennstoffs nur 50 MW Energie verbraucht werden.
Damit ist der Reaktor gemeint produziert zehnmal mehr Energie als es verbraucht – eine enorme Verbesserung gegenüber JET, was erforderlich war Es wird etwa dreimal so viel Energie zum Erhitzen des Brennstoffs benötigt, wie dieser erzeugt für seine jüngsten 59-Megajoule-Rekord .
Die jüngsten Ergebnisse von JET haben gezeigt, dass sich die jahrelange Forschung in den Bereichen Plasmaphysik und Materialwissenschaften ausgezahlt hat und Wissenschaftler an die Türschwelle gebracht hat, die Kernfusion für die Stromerzeugung nutzbar zu machen. ITER wird einen enormen Fortschritt in Richtung des Ziels von Fusionskraftwerken im industriellen Maßstab darstellen. 
David Donovan , außerordentlicher Professor für Nukleartechnik, Universität von Tennessee Und Livia Casali , Assistenzprofessor für Kerntechnik, Universität von Tennessee .
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