(CCFE/JET) Jüngste Berichte von Wissenschaftlern, die eine neue Art von verfolgen Kernfusion Die Entwicklung neuer Technologien ist ermutigend, aber vom „heiligen Gral der sauberen Energie“ sind wir noch weit entfernt.
Die von Heinrich Hora und seinen Kollegen an der University of NSW entwickelte Technologie nutzt leistungsstarke Laser, um Wasserstoff- und Boratome miteinander zu verschmelzen und dabei hochenergetische Teilchen freizusetzen, die zur Stromerzeugung genutzt werden können.
Wie bei anderen Arten der Kernfusionstechnologie besteht die Schwierigkeit jedoch darin, eine Maschine zu bauen, die die Reaktion zuverlässig auslösen und die dabei erzeugte Energie nutzen kann.
Was ist Fusion?
Fusion ist der Prozess, der die Sonne und die Sterne antreibt. Es entsteht, wenn die Kerne zweier Atome so nahe aneinander gedrängt werden, dass sie sich zu einem verbinden und dabei Energie freisetzen.
Wenn die Reaktion im Labor gezähmt werden kann, hat sie das Potenzial, nahezu unbegrenzten Grundlaststrom mit nahezu null CO2-Emissionen zu liefern.
Die im Labor am einfachsten zu initiierende Reaktion ist die Fusion zweier verschiedener Wasserstoffisotope: Deuterium und Tritium. Das Produkt der Reaktion ist ein Heliumion und ein sich schnell bewegendes Neutron. Die meisten bisherigen Fusionsforschungen sind dieser Reaktion nachgegangen.
Die Deuterium-Tritium-Fusion funktioniert am besten bei einer Temperatur von etwa 100.000.000℃. Ein Plasma einschließen – die Bezeichnung für das Flammenartige Aggregatszustand Bei solchen Temperaturen ist es keine leichte Aufgabe, so heiß zu sein.
Der führende Ansatz zur Nutzung Fusionskraft wird toroidaler magnetischer Einschluss genannt. Supraleitende Spulen werden verwendet, um ein Feld zu erzeugen, das etwa eine Million Mal stärker ist als das Erdmagnetfeld, um das Plasma einzudämmen.
Wissenschaftlern ist es bereits bei Experimenten in den USA (Tokamak Fusion Test Reactor) und Großbritannien (Joint European Torus) gelungen, eine Deuterium-Tritium-Fusion durchzuführen. Tatsächlich wird in diesem Jahr im britischen Experiment eine Deuterium-Tritium-Fusionskampagne stattfinden.
Diese Experimente initiieren eine Fusionsreaktion durch massive äußere Erwärmung, und es braucht mehr Energie, um die Reaktion aufrechtzuerhalten, als die Reaktion selbst erzeugt.
Die nächste Phase der Mainstream-Fusionsforschung wird den Bau eines Experiments namens ITER (lateinisch „der Weg“) im Süden Frankreichs umfassen. Bei ITER erzeugen die durch die Reaktion erzeugten eingeschlossenen Heliumionen genauso viel Wärme wie die externen Heizquellen. Da das schnelle Neutron viermal so viel Energie trägt wie das Heliumion, beträgt der Leistungsgewinn den Faktor fünf.
ITER ist ein Proof of Concept vor dem Bau eines Demonstrationskraftwerks.
Was ist bei der Verwendung von Wasserstoff und Bor anders?
Die von Hora und Kollegen berichtete Technologie schlägt vor, einen Laser zu verwenden, um ein sehr starkes, einschließendes Magnetfeld zu erzeugen, und einen zweiten Laser, um ein Wasserstoff-Bor-Brennstoffpellet zu erhitzen, um den Punkt der Fusionszündung zu erreichen.
Wenn ein Wasserstoffkern (ein einzelnes Proton) mit einem Bor-11-Kern verschmilzt, entstehen drei energiereiche Heliumkerne. Gegenüber der Deuterium-Tritium-Reaktion hat diese den Vorteil, dass keine Neutronen entstehen, die schwer einzudämmen sind.
Allerdings ist die Wasserstoff-Bor-Reaktion von vornherein viel schwieriger auszulösen. Horas Lösung besteht darin, mit einem Laser ein kleines Brennstoffpellet auf Zündtemperatur zu erhitzen und mit einem weiteren Laser Metallspulen aufzuheizen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das das Plasma enthält.
Die Technologie verwendet sehr kurze Laserimpulse, die nur Nanosekunden dauern. Das erforderliche Magnetfeld wäre extrem stark, etwa 1.000-mal so stark wie das, das in Deuterium-Tritium-Experimenten verwendet wird. Forscher in Japan haben diese Technologie bereits genutzt, um ein schwächeres Magnetfeld zu erzeugen.
Hora und Kollegen behaupten, dass ihr Prozess einen „Lawineneffekt“ im Brennstoffpellet hervorrufen wird, was bedeutet, dass viel mehr Fusion stattfinden wird, als man sonst erwarten würde.
Zwar gibt es experimentelle Belege dafür, dass sich die Fusionsreaktionsrate durch die Anpassung von Laserstrahl und Ziel etwas steigern lässt, doch um sie mit Deuterium-Tritium-Reaktionen zu vergleichen, müsste der Lawineneffekt die Fusionsreaktionsrate bei 100.000.000 ℃ um mehr als das 100.000-fache erhöhen. Für einen Anstieg dieser Größenordnung gibt es keine experimentellen Belege.
Wohin von hier aus?
Die Experimente mit Wasserstoff und Bor haben sicherlich zu faszinierenden physikalischen Ergebnissen geführt, doch die Prognosen von Hora und Kollegen, dass es bis zur Verwirklichung der Fusionskraft nur fünf Jahre dauern wird, erscheinen verfrüht. Andere haben eine lasergesteuerte Fusion versucht. Die National Ignition Facility in den USA hat beispielsweise versucht, eine Wasserstoff-Deuterium-Fusionszündung mithilfe von 192 auf ein kleines Ziel fokussierten Laserstrahlen zu erreichen.
Diese Experimente erreichten ein Drittel der Zündbedingungen, die für ein einzelnes Experiment erforderlich waren. Zu den Herausforderungen gehören die präzise Platzierung des Ziels, die Ungleichmäßigkeit des Laserstrahls und Instabilitäten, die beim Implodieren des Ziels auftreten.
Diese Experimente wurden höchstens zweimal täglich durchgeführt. Schätzungen gehen dagegen davon aus, dass ein Kraftwerk umgerechnet 10 Experimente pro Sekunde benötigen würde.
Die Entwicklung der Fusionsenergie wird höchstwahrscheinlich durch das internationale Mainstream-Programm verwirklicht, wobei das ITER-Experiment im Mittelpunkt steht. Australien beteiligt sich international am ITER-Projekt in den Bereichen Theorie und Modellierung, Materialwissenschaft und Technologieentwicklung.
Vieles davon ist an der ANU in Zusammenarbeit mit der Australian Nuclear Science and Technology Organisation angesiedelt, die eine Kooperationsvereinbarung mit ITER unterzeichnet hat. Allerdings gibt es immer Raum für intelligente Innovationen und neue Konzepte, und es ist wunderbar, alle Arten von Investitionen in die Fusionswissenschaft zu sehen. 
Matthew Hole , Senior Research Fellow, Institut für Mathematische Wissenschaften, Australische Nationaluniversität .
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