California National Ignition Facility Damian Jemison
Forscher haben zum ersten Mal auf der Erde bestätigt, dass eine kontrollierte Fusionsreaktion mehr Energie erzeugt hat, als sie zum Laufen benötigt. Der Versuch ist ein wichtiger Schritt in Richtung kommerzieller Fusionsenergie, aber Experten sagen, dass noch erhebliche technische Anstrengungen erforderlich sind, um die Effizienz zu steigern und die Kosten zu senken.
Gerüchte über das Experiment tauchten am 11. Dezember im kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) auf, aber die Neuigkeiten wurden heute auf einer Pressekonferenz offiziell bekannt gegeben. In einem Experiment vom 5. Dezember erzeugte der National Fusion Ignition Reactor (NIF) des Labors 3,15 Megajoule Energieabgabe aus einer Laserenergieabgabe von 2,05 Megajoule – eine Steigerung von 150 Prozent. Dies überwiegt jedoch bei weitem die rund 300 Megajoule, die aus dem Stromnetz gezogen werden, um die Laser überhaupt anzutreiben.
Es gibt zwei Hauptforschungsansätze, die darauf abzielen, eine lebensfähige Kernfusion zu erreichen. Einer verwendet Magnetfelder, um das Plasma einzudämmen, während der andere Laser verwendet. NIF verwendet eine zweite Methode, die als Inertial Confinement Fusion (ICF) bekannt ist, bei der eine kleine Kapsel, die Wasserstoffbrennstoff enthält, mit einem Laser bestrahlt wird, wodurch sie sich schnell erhitzt und ausdehnt.
Dies erzeugt eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion nach innen, was zu einem Kraftstoffdruck führt. Die Kerne der Wasserstoffatome verschmelzen dann zu schwereren Elementen und ein Teil ihrer Masse wird als Energie frei – wie in der Sonne.
Alle Fusionsexperimente benötigen bisher mehr Energie, als sie erzeugen. Der vorherige NIF-Rekord, der im August dieses Jahres bestätigt wurde, erzeugte eine Leistung, die 72 Prozent der Leistungsaufnahme seiner Laser entspricht.
Die heutige Ankündigung bestätigt, dass die Forscher den entscheidenden Break-Even-Punkt nicht nur erreicht, sondern auch überschritten haben – wobei Sie die Energie ignorieren, die für den Betrieb des Lasers erforderlich ist. Während der Pressekonferenz sagte Jean-Michel De Nicola von LLNL, dass der Laser bei Spitzenleistung – die NIF nur für einige Milliardstel Sekunden erreicht – 500 Billionen Watt verbraucht, was mehr Leistung ist als die Leistung eines ganzen Amerikaners. Netzwerk.
Arati Prabhakar, Direktor des Büros für Wissenschafts- und Technologiepolitik des Weißen Hauses, sagte, das Erreichen dieses Meilensteins sei „ein großartiges Beispiel dafür, was Beharrlichkeit erreichen kann“ und dass die Ergebnisse der tragfähigen Fusionskraft einen Schritt näher kommen.
“Es brauchte nicht nur eine Generation, es brauchte Generationen von Menschen, um dieses Ziel zu erreichen. Diese Duplizierung der Entwicklung von Forschung, des Aufbaus komplexer technischer Systeme, des gegenseitigen Lernens auf beiden Seiten – so machen wir große, schwierige Dinge, also ist das einfach schön Beispiel.“ , „sagte sie.
Jeremy Chittenden vom Imperial College London sagt, das Experiment sei ein Meilenstein für die Fusionsforschung. „Das ist ein Meilenstein, nach dem alle in der Integrationsgemeinschaft seit 70 Jahren streben“, sagt Chittenden. “Es ist eine große Bestätigung des Ansatzes, den wir für ICF seit fast 50 Jahren versuchen. Es ist sehr wichtig.”
Der größte Teil der Fusionsinvestitionen fließt derzeit in den alternativen Ansatz zum magnetischen Einschluss, insbesondere in ein Reaktordesign namens Tokamak. Der gemeinsame europäische Torus-Reaktor (JET) in der Nähe von Oxford, Großbritannien, wurde 1983 in Betrieb genommen. Als er in Betrieb war, war er der heißeste Punkt im Sonnensystem und erreichte 150 Millionen Grad Celsius (270 Millionen Grad Fahrenheit). Anfang dieses Jahres hielt JET eine Reaktion für 5 Sekunden aufrecht und erzeugte 59 Megajoule Wärmeenergie.
Eine größere und modernere Alternative, der International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in Frankreich, steht kurz vor der Fertigstellung und seine ersten Tests sollen 2025 beginnen kürzlich in der Lage, die Reaktion 30 Sekunden lang bei Temperaturen über 100 Millionen Grad Celsius aufrechtzuerhalten.
LLNL-Direktor Kim Bodell sagte auf der Pressekonferenz, dass die Verzögerung zwischen dem Prozess und der Ankündigung darauf zurückzuführen sei, dass ein Team von externen Experten hinzugezogen wurde, um die Daten zu begutachten. Jetzt sei das bestätigt, sagte sie, ein laserbasiertes Kraftwerk werde wahrscheinlich in „ein paar Jahrzehnten“ stehen, aber die Technologie für Tokamak-Reaktoren sei ausgereifter.
„Es gibt sehr bedeutende Hürden, nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der Technologie“, sagte sie. „Dies ist eine einmalige Zündkapsel, und um kommerzielle Fusionsenergie zu erreichen, muss man viele Dinge tun; man muss in der Lage sein, viele Fusionszündungen pro Minute zu erzeugen, und man muss ein robustes System haben [laser] Treiber, um es zu aktivieren. “
Derzeit kann NIF nur sehr kurz laufen und muss dann mehrere Stunden damit verbringen, seine Komponenten zu kühlen, bevor es wieder laufen kann. Die Ansätze, die von neuen Unternehmensgründungen ausprobiert werden, könnten sich als besserer Weg nach vorne erweisen, sagt Chittenden.
„Wenn wir dabei bleiben, dies mit Megaprojekten zu versuchen, deren Erstellung Milliarden von Dollar und Jahrzehnte der Entwicklung erfordern, dann ist diese Fusion möglicherweise zu spät gekommen, um Auswirkungen auf den Klimawandel zu haben“, sagt Chittenden. „Ich denke, wir müssen uns wirklich darauf konzentrieren, die Vielfalt der Ansätze zu erhöhen, damit wir versuchen können, etwas zu finden, das geringere Kosten und eine schnellere Umsetzung hat, damit wir in 10 oder 15 Jahren etwas haben können. “
Neben der Bereitstellung unschätzbarer Daten für Ingenieure, die an praktischen Reaktorkonstruktionen arbeiten, könnten die NIF-Ergebnisse laut Chittenden zu weiteren Fortschritten in der Physik führen, da Reaktionen intensiver und schneller erscheinen als die in unserer Sonne und eher denen in einer Supernova ähneln.
„Wir befinden uns in extremen Druck-, Dichte- und Temperaturbereichen, die wir zuvor im Labor nicht erreichen konnten“, sagt er. „Das sind Prozesse, die es uns ermöglichen, zu untersuchen, was in den extremsten Materiezuständen im Universum passiert.“
Gianluca Sarri von der Queen’s University Belfast sagt, dass die Ergebnisse allen Fusionsforschern ermöglichen werden, voranzukommen, in der Gewissheit, dass Energiegewinnung aus Fusion möglich ist.
„Jetzt geht es nur noch – und ich sage ‚nur‘ mit Anführungszeichen – um Optimierung und technische Anpassungen. Das wird morgen natürlich nicht passieren, weil es technische Probleme gibt. Vom Reaktor sind wir noch weit entfernt. Wir sind auf dem richtigen Weg, was saubere Energie angeht [fusion research] Es ist sicherlich der ehrgeizigste Weg, aber am Ende wird es der lohnendste sein, weil die Menge an Energie, die Sie freisetzen können, grenzenlos ist.“
Sarri sagt, seine Vermutung ist, dass die ersten in Betrieb befindlichen Reaktoren Tokamak sein werden, aber dass die ICF-Forschung immer noch eine entscheidende Rolle zu spielen hat. “Beide Gleise sollten vorangehen, weil sie sich gegenseitig informieren. Es gibt viele Informationen, die zwischen den beiden Planern ausgetauscht werden”, sagt er. “Die Art und Weise, wie sie arbeiten, ist konzeptionell ähnlich.”
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