Wie nah sind wir der Kernfusion für grenzenlose Energie? – DNjus

How Close Are We to Nuclear Fusion for Limitless Energy?

Es ist kein Geheimnis, dass die Kernenergie in der Vergangenheit einen schlechten Ruf hatte, voller Giftmüll und katastrophaler Kernschmelzen. Das Image dieser Energiequelle zu reparieren, war ein harter Kampf, aber die jüngsten Errungenschaften ihres schwer fassbaren, aber mächtigeren Geschwisters – der Kernfusion – könnten das ändern. Wenn es erreicht wird, könnte es der Menschheit eine praktisch unbegrenzte und saubere Energiequelle bieten, indem es die Art von Reaktionen repliziert, die im Inneren der Sonne stattfinden.

Im Dezember 2022 gab das Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) bekannt, dass seine National Ignition Facility (NIF) a neuer Meilenstein auf dem Weg zur Kernfusion durch Erzeugung von mehr Leistung (über 3 Megajoule, bzw 1 Megajoule schüchtern von einem Kilogramm TNT, das zur Detonation gebracht wird), als sie ursprünglich mit einem Prozess namens Trägheitseinschluss eingebracht hatten – dazu später mehr.

Dieses Ergebnis mag für eine Energiequelle, die dem Kern brennender Sterne nachempfunden ist, mager klingen, aber für Wissenschaftler, die dieser Wissenschaft seit Jahrzehnten nachjagen, gefällt es Omar-HurrikanChefwissenschaftler des Fusionsprogramms hinter diesem Ergebnis, ist es ein Beweis dafür, dass sich ihre Bemühungen endlich auszahlen könnten.

„[T]Das Dezember-Ergebnis waren Meilensteine, die zeigen, dass der Fusionsstromerzeugung kein physikalisches Hindernis im Weg steht“, sagte Hurricane in einer E-Mail an Motherboard. „Ich bezeichne unsere Ergebnisse gerne als ‚Existenzbeweis‘.“

Hurricane fügte hinzu, dass der Ansatz von NIF zwar potenziell für kommerzielle Fusionen in der Zukunft verwendet werden könnte, er sich jedoch derzeit auf „Fusionswissenschaft und Anwendungen der nationalen Sicherheit“ konzentriert, wie z. B. die Bewertung des Nuklearvorrats der USA.

Während Wissenschaftler seit vielen Jahren wissen, wie man Kernfusion erzeugt, war die tatsächliche Schaffung dieser potenziell autarken Energiequelle der weiße Wal des Feldes. Die neue Errungenschaft von NIF sowie ein wachsender Privatsektor könnten nur die Push-Fusion sein, die endlich zur Geltung kommen muss. Eine neue Ära der Fusionsenergie ist mehr als nur eine wissenschaftliche Errungenschaft und könnte ein großer Schritt in Richtung einer nachhaltigeren Energiezukunft sein. Stephanie DiemAssistenzprofessor an der University of Wisconsin-Madison und Hauptforscher von ein Fusionsenergie-Experimentteilte Motherboard in einer E-Mail mit.

„Letztendlich kann ein auf Fusion basierendes Kraftwerk unsere derzeitigen Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen ersetzen und unsere Häuser, Industrien und Unternehmen mit Strom versorgen“, sagte Diem.

Angesichts dieses neuen Fortschritts lohnt es sich, jetzt Bilanz zu ziehen: Wie nah sind wir der Kernfusion und der Lösung der Energieprobleme der Menschheit?

Was ist Kernfusion?

Wenn die Kernfusion so viel Potenzial hat, mag es unklar erscheinen, warum ihr Gegenstück, die Kernspaltung, nicht von Kopf bis Fuß gehen kann. Während beide Reaktionen nuklear sind, was bedeutet, dass sie beide Energieänderungen im Zentrum von Atomkernen beinhalten, sind sie in vielerlei Hinsicht tatsächlich polare Gegensätze.

Die Kernspaltung ist das Herzstück von Kernkraftwerken auf der ganzen Welt und funktioniert, indem die Atome radioaktiver Elemente wie Uran auseinandergebrochen werden, um einen Energiestoß zu erzeugen. Diese Energie wird dann verwendet, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, um Turbinen anzutreiben, die Strom erzeugen. Kernkraftwerke wie dieses haben je nach Größe eine jährliche Erzeugungskapazität von rund 500-1000 Megawatt, das entspricht bis zu der Leistung von :text=Nukleare%20Energie%20hat%20%20Stromversorgung%20pro%20Anlage%20%20im%20Durchschnitt.” target=“_blank“>1,3 Millionen Pferde pro Pflanze.

Die Kehrseite dieses Ansatzes ist, dass die Verwendung radioaktiver Atome als Energiequelle der Reaktoren zu gefährlichen Abfallprodukten führt und auch für gefährliche Kernschmelzen anfällig sein kann, wie sie in den 80er Jahren in Tschernobyl und 2011 in Fukushima stattfanden. Selbst wenn neue Spaltreaktoren diese Fallstricke überwinden kann, ist die Energiequelle immer noch endlich.

„Fusion bringt uns Hoffnung und eine erstaunliche Herausforderung“

Die Kernfusion hingegen hat das Potenzial, sich selbst zu erhalten, sobald sie richtig gezündet ist, ein Prozess, den Nuklearwissenschaftler Zündung nennen. Diese Energiequelle funktioniert, indem sie leichte Atome (z. B. die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium) zusammenschleudert, um ein schwereres Atom (z. B. Helium) zu bilden. Dies ist derselbe Prozess, durch den die Sonne die Energie erzeugt, die wir versuchen, auf der Erde mit Sonnenkollektoren einzufangen.

„Die theoretisch mögliche Energieproduktion pro Masseeinheit von Fusionsbrennstoffen … übersteigt bei weitem die anderer bekannter Energiequellen“, sagte Hurricane. „Das Deuterium-Isotop Wasserstoff ist auch reichlich im Meerwasser und es gibt Pläne, Tritium aus Lithium (ebenfalls reichlich im Meerwasser) in geplanten Fusionskraftwerken zu züchten.“

Ähnlich wie bei Kernspaltungskraftwerken erzeugt die Kernfusionstechnologie Strom durch die Erzeugung von Dampf, um eine Turbine zu drehen, aber bei vier Mal die Menge und ohne schädliche Nebenprodukte.

Wie nah sind wir der Kernfusion?

Die Kraft einer brennenden Sonne auf der Erde zu nutzen, ist keine Kleinigkeit. Um dies zu erreichen, gibt es zwei Hauptmethoden, die Wissenschaftler verwenden: Laser und Magnete.

„Diese Confinement-Ansätze lassen sich grob in die folgenden Kategorien einteilen: magnetische Fusionsenergie unter Verwendung von Magnetflaschen, Tokamaks und Stellaratoren genannt, Trägheitsfusionsenergie und magneto-intertiale Fusion – eine Kombination der beiden vorherigen Techniken“, sagte Diem. „Die ausgereifteste Technologie ist MFE mit magnetischen Flaschen, Tokamak genannt.“

Das NIF-Experiment wurde mithilfe von laserbasiertem Trägheitseinschluss erstellt. Kurz gesagt, fast 200 Hochleistungslaser wurden um eine Kapsel geschleudert, die den Wasserstoffisotopenbrennstoff enthielt. In Sekundenschnelle erhitzte die Energie dieser Laser die Kapsel von außen, wodurch zunächst der Treibstoff komprimiert und dann eine nach außen gerichtete Energieexplosion erzeugt wurde.

Viele andere staatliche und private Projekte, einschließlich Frankreichs mit Spannung erwarteter ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), verwenden Tokamaks, um ihren Sternenbrennstoff zu erhitzen. Ursprünglich von sowjetischen Wissenschaftlern in den späten 1950er Jahren entworfen, arbeiten Tokamaks, indem sie Magnete und ein Vakuum verwenden, um Wasserstoffatome zu komprimieren und zu erhitzen, bis sie sich in ein Plasma verwandeln. Fortgesetzter Druck auf dieses Plasma zwingt es dann zur Fusion.

In den letzten Jahren erzielte die Kernfusion Durchbrüche wie die Energiegewinne von NIF und Europas Gemeinsamer europäischer Torus (JET) anhaltender Energieimpuls und die verbesserte Heizung des privaten britischen Unternehmens Tokamak Energy haben die Anforderungen für die Kernfusion verfehlt, aber Diem sagte, dass sie im Moment nicht viel mehr als wissenschaftliche Experimente seien.

„Nachdem wir nun gezeigt haben, dass eine kontrollierte Fusion möglich ist, müssen wir uns als Nächstes den technischen Herausforderungen stellen, die zur Stromerzeugung erforderlich sind“, sagte sie.

Um eine kommerzielle Fusion rentabel zu machen, müssen Wissenschaftler und Ingenieure neue Materialien entwickeln, die der Fusionsumgebung standhalten, sowie neue Wege finden, um Brennstoff für diese Reaktionen zu schaffen, wie z. B. die Gewinnung der Inhaltsstoffe aus Meerwasser. Die Suche nach Brennstoffen hat Wissenschaftler sogar veranlasst, in den Weltraum zu schauen, wo ein Heliumisotop namens Helium-3-a vielversprechender Brennstoff für Kernfusionsreaktoren– wird weitgehend gefunden. China zum Beispiel hat behauptete, Helium-3 zu finden im Monddreck. In einer planetarischen Wendung jedoch Wissenschaftler haben kürzlich entdeckt dass es auf der Erde mehr Helium-3 gibt als bisher angenommen, obwohl seine Quelle mysteriös bleibt.

Diesen Zielen nähert sich die Biden-Harris-Administration angekündigt im April 2022 jedoch die Finanzierung von zwei Pilot-Fusionskraftwerken in Höhe von insgesamt 50 Millionen US-Dollar Skepsis ist vorhanden wie diese Finanzierung ausfallen wird. Sogar dann, Forscher glauben dass die Kernfusion noch Jahrzehnte entfernt sein könnte.

Aber wenn – oder vielleicht, wenn – es klappt, könnte es Welleneffekte haben, die weit über grüne Energie hinausgehen, sagte Diem.

„In einer Welt, in der wir Kriege um Energie und den Zugang zu Ressourcen geführt haben, die für die Energieerzeugung verwendet werden, und in der wir beschleunigte Auswirkungen des Klimawandels sehen, bringt uns die Fusion Hoffnung und eine erstaunliche Herausforderung“, sagte sie.

„Während der Fusion noch viele Herausforderungen bevorstehen, sind die potenziellen Vorteile enorm, und ich bin unglaublich gespannt, was in diesem Bereich als nächstes kommt, während wir weiterhin Innovationen vorantreiben und auf eine sauberere, nachhaltigere, gerechtere und gerechtere Zukunft hinarbeiten .“

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