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Schließlich macht Fusion kleine Schritte in Richtung Realität
Nach drei Jahrzehnten teurer, von der Regierung finanzierter Forschung, die keine greifbaren Durchbrüche hervorbrachte, hat sich die Kernfusion von einer vielversprechenden Quelle praktisch unbegrenzter Energie zu so etwas wie einer Pointe entwickelt.
Im vergangenen Jahr begann sich das jedoch zu ändern. Mehrere privat finanzierte Unternehmen und kleine universitäre Forschungsgruppen, die neuartige Fusionsreaktordesigns verfolgen, haben vielversprechende Ergebnisse geliefert, die den Zeitrahmen für die Herstellung eines Maschinenprototyps von Jahrzehnten auf mehrere Jahre verkürzen könnten. Die kommerzielle Stromerzeugung durch Fusion ist noch weit entfernt, aber die Umrisse eines solchen Reaktors sind jetzt erkennbar.
Die traditionelle Fusionsforschung konzentrierte sich auf große, donutförmige Maschinen namens Tokamaks, die starke Magnetfelder ausüben, um Hochtemperaturplasma zu komprimieren – wirbelnde Kugeln aus geladenen Teilchen, die zu Helium verschmelzen und dabei große Mengen an Energie freisetzen. Die Herausforderung besteht darin, das heiße Plasma einzudämmen und stabil zu halten; die Fusionsreaktoren von heute, wie z Internationaler thermonuklearer Versuchsreaktor (ITER)-Projekt in Südfrankreich verwenden riesige Spulen aus Elektromagneten, die viel mehr Energie verbrauchen, als die Maschine tatsächlich produziert. ITER (ausgesprochen Esser), das Wissenschaftler und Mittel aus China, der Europäischen Union, Indien, Russland, Japan, Südkorea und den Vereinigten Staaten anzieht, wird voraussichtlich Dutzende Milliarden Dollar kosten, um irgendwann in den 2030er Jahren einen funktionierenden Reaktor zu produzieren . Könnte sein.
Zwei jüngste Entwicklungen, die neue und schnellere Wege zu energieproduzierenden Fusionsreaktoren eröffnen, haben die Fusionsgemeinschaft in Schwung gebracht. Tri Alpha Energy mit Sitz in Foothill Ranch, Kalifornien, sagte Anfang August, dass es ihm gelungen sei, ein hochenergetisches Plasma fünf Millisekunden lang stabil zu halten – viel weniger als ein Wimpernschlag, aber eine halbe Ewigkeit auf der Skala von Fusionsreaktionen , so Technikvorstand Michl Binderbauer.
Tri Alpha, sagt Binderbauer, bringt die Prinzipien von Hochenergie-Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider auf die Probleme von Fusionsreaktoren. Insbesondere hat das Team ein 23 Meter langes Gerät gebaut, das zwei Plasmawolken aufeinander abfeuert, um einen Plasmaring zu bilden. Das Magnetfeld, das den Ring zusammenhält, wird vom Plasma selbst erzeugt – eine Technik, die als feldumgekehrte Konfiguration bekannt ist. Das Plasma wird durch die Injektion hochenergetischer Teilchen aus Beschleunigern aufrechterhalten.
Die Herausforderung für das Design von Tri Alpha, sagt Binderbauer, ist heiß genug und lange genug – das Plasma auf einer ausreichend hohen Temperatur stabil zu halten, um eine energiepositive Fusion zu erreichen. Das jüngste Experiment zeigte, dass das Unternehmen – das Millionen von Dollar an Finanzmitteln von Investoren wie Goldman Sachs und Vulcan, dem Investmentfonds von Microsoft-Mitbegründer Paul Allen, angezogen hat – das Problem seit langem gelöst hat. Das Plasma heiß genug zu machen, ist die nächste große Herausforderung. Im nächsten Jahr wird Tri Alpha mit dem Bau einer neuen und leistungsstärkeren Version seines Versuchsgeräts beginnen, um den Prozess bei höheren Temperaturen zu testen.
Beim MIT Plasmawissenschafts- und Fusionszentrum , eine Gruppe unter der Leitung von Dennis Whyte, Professor für Nuklearwissenschaft und -technik und Direktor des Zentrums, und dem Doktoranden Brandon Sorbom veröffentlichten im Juli ein Konzeptdesign für eine Maschine namens der ARC-Reaktor (günstig, robust, kompakt). Die Neuheit des ARC-Designs ist die Art der Elektromagnete, die das Plasma einschließen. Unter Verwendung kürzlich entwickelter, flexibler supraleitender Bänder aus Seltenerd-Barium-Kupferoxid kann der ARC-Reaktor Magnetfelder mit viel höherer Amplitude erreichen – wodurch ein Reaktordesign ermöglicht wird, das viel kleiner ist als bei anderen Tokamak-basierten Maschinen. Die Forscher stellen sich auch eine das Plasma umgebende Flüssigkeitshülle vor, die Neutronen ohne Beschädigung absorbiert und ein effizientes Wärmeaustauschmedium zur Stromerzeugung darstellt.
Die Erhöhung der Amplitude des umgebenden Magnetfelds erhöht die Menge der im Plasma erzeugten Fusionsleistung auf die vierte Potenz – eine dramatische Steigerung, die laut Whyte innerhalb weniger Jahre zu einem kommerziellen Prototyp führen könnte.
Es ist bekannt, dass man sehr kompakte Geräte herstellen kann, wenn man das Magnetfeld auf sehr hohe Werte anhebt, sagt er, aber die Elektromagnete mussten aus Kupfer sein – kein Supraleiter könnte dieses Magnetfeld vertragen. Jetzt könnte das Aufkommen fortschrittlicher Supraleiterbänder einen kompakten Reaktor ermöglichen, der kontinuierlich Fusion erzeugt.
Veröffentlicht in Fusionstechnik und Design , Das ARC-Reaktorpapier betont, dass es sich im Moment nur um ein konzeptionelles Design handelt. Whyte hofft, in den nächsten Jahren Gelder für den Bau einer experimentellen Maschine zu erhalten. Mittlerweile eine Kupplung privater Unternehmen, darunter nicht nur Tri Alpha, sondern auch Tokamak-Energie , mit Sitz in England und mit Sitz in Vancouver Allgemeine Fusion , arbeiten an verwandten, aber unterschiedlichen Designs, um die Fusion in die Prototypenphase zu bringen (siehe A New Approach to Fusion ).
Wir nähern uns den Arbeitsmaschinen, sagt Michel Laberge, Gründer und Chefwissenschaftler von General Fusion. Viele Jahre lang war die Fusionsforschung das Reich großer staatlicher Labore, die großartige Arbeit leisteten und die Grundlage für das Funktionieren der Fusion schufen. Aber es gab kein großes Gefühl der Dringlichkeit.
Jetzt ist die Dringlichkeit gestiegen, und diese Unternehmen testen neue Ideen und neue Ansätze – und ziehen die Investitionen dafür an. General Fusion hat kürzlich 27 Millionen US-Dollar an neuen Finanzmitteln von einer Gruppe von Investoren unter der Führung des Staatsfonds von Malaysia erhalten.
Im Moment sei ein Umdenken im Gange, sagt er Burton Richter , der 1976 den Nobelpreis für Physik erhielt und Berater von Tri Alpha ist. Budgetkürzungen in den 1990er Jahren erzwangen die Schließung alternativer Ansätze außerhalb von ITER und der National Ignition Facility des US-Energieministeriums. Unternehmen wie Tri Alpha bieten einen Weg zur Fusion, der nicht mit Steuergeldern, sondern mit Geldern des Privatsektors gepflastert ist – was letztendlich der einzige Weg ist, um tatsächlich etwas aufzubauen.
Jonathan Menard, ein Plasmaphysiker am Princeton Plasma Physics Laboratory, leitet die Nationales sphärisches Torus-Experiment , die anstelle eines Donuts einen Tokamak in Form eines Wasserballs verfolgt. Menard, dessen eigenes Programm vor kurzem ein 94-Millionen-Dollar-Upgrade seiner experimentellen Maschine abgeschlossen hat, hat die Entwicklungen bei den Bemühungen von Tri Alpha und ARC genau verfolgt und ist der Ansicht, dass diese Innovationen weiter verfolgt werden sollten.
Mit der Vorsicht eines erfahrenen Fusionswissenschaftlers rät er jedoch zur Vorsicht: Bis Sie es gebaut haben, wissen Sie es nicht genau.