Wie die Kernfusion weniger Energie verbrauchen könnte

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Wie die Kernfusion weniger Energie verbrauchen könnte

Wenn Sie jahrzehntelang einen Fusionswissenschaftler baten, sich einen Fusionsreaktor vorzustellen, würden sie Ihnen wahrscheinlich von einem Tokamak erzählen. Es ist eine Kammer, etwa so groß wie ein großer Raum, geformt wie ein hohler Donut. Physiker füllen sein Inneres mit einer nicht so schmackhaften Marmelade aus überhitztem Plasma. Dann umgeben sie es mit Magneten in der Hoffnung, Atome zusammenzudrücken, um Energie zu erzeugen, genau wie die Sonne.

Aber Experten glauben, dass man Tokamaks in anderen Formen herstellen kann. Einige glauben, dass kleinere und schlankere Tokamaks sie besser im Umgang mit Plasma machen könnten. Wenn die Fusionswissenschaftler, die es vorschlagen, Recht haben, könnte es ein lang erwartetes Upgrade für die Kernenergie sein. Dank jüngster Forschung und eines neu vorgeschlagenen Reaktorprojekts denkt das Feld ernsthaft darüber nach, mit einem „kugelförmigen Tokamak“ Strom zu erzeugen.

„Das zeigen die bisherigen Experimente [spherical tokamaks] kann Pfund für Pfund Plasmen besser einschließen und dadurch bessere Fusionsreaktoren herstellen“, sagt er Steven CowleyDirektor des Princeton Plasma Physics Laboratory.

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Wenn Sie sich fragen, wie Fusionskraft funktioniert, es ist der gleiche Prozess, den die Sonne verwendet, um Wärme und Licht zu erzeugen. Wenn Sie bestimmte Arten von Wasserstoffatomen an den elektromagnetischen Kräften vorbeischieben können, die sie auseinander halten, und sie zusammendrücken, erhalten Sie Helium und a viel von Energie – praktisch ohne Umweltverschmutzung oder CO2-Emissionen.

Es klingt wunderbar. Das Problem ist, dass Sie, um Atome zusammenzuzwingen und diese Reaktion zu bewirken, himmlische Temperaturen von erreichen müssen Millionen Grad für längere Zeiträume. Das ist ein schwieriger Maßstab und einer der Gründe für den heiligen Gral der Fusion – eine Reaktion, die mehr Energie erzeugt, als man hineinsteckt, auch bekannt als Breakeven und Gewinn– bleibt schwer fassbar.

Der Tokamak ist theoretisch eine Möglichkeit, ihn zu erreichen. Die Idee ist, dass Fusionswissenschaftler durch sorgfältiges Formen des Plasmas mit starken Elektromagneten, die die Schale des Donuts auskleiden, diese superheiße Reaktion am Laufen halten können. Aber Tokamaks werden seit den 1950er Jahren verwendet, und trotz anhaltendem Optimismus konnten sie das Plasma nie so formen, wie sie ihr Versprechen einlösen mussten.

Aber es gibt eine andere Möglichkeit, Fusion außerhalb eines Tokamaks zu erzeugen, die sogenannte Inertial Confinement Fusion (ICF). Dazu nimmt man ein sandkorngroßes Wasserstoff-Pellet, legt es in einen speziellen Behälter, bestrahlt es mit Laserstrahlen und lässt die resultierenden Stoßwellen das Innere des Pellets zerzausen, um die Fusion zu starten. vergangenes Jahr, Ein ICF-Reaktor in Kalifornien kam näher als irgendjemand diesen Energie-Meilenstein erreicht hat. Leider waren die Physiker im Jahr danach nicht in der Lage, dies zu tun Lass den Blitz wieder geschehen.

Geschichten wie diese zeigen, dass Forscher nicht zögern, sich darauf zu stürzen, wenn es eine alternative Methode gibt.

Die Idee, den Tokamak zu verkleinern, entstand in den 1980er Jahren, als theoretische Physiker – gefolgt von Computersimulationen – vorschlugen, dass eine kompaktere Form das Plasma effektiver handhaben könnte als ein herkömmlicher Tokamak.

Nicht lange danach, Gruppen an der Culham Zentrum für Fusionsenergie in Großbritannien und der Princeton University in New Jersey begannen mit dem Testen des Designs. „Die Ergebnisse waren fast sofort sehr gut“, sagt Cowley. Das können Physiker nicht bei jedem neuen Kammerdesign sagen.

Ein eher klassisch geformter Lithium-Tokamak im Plasma Physics Laboratory. US-Energieministerium

Trotz des Namens ist ein kugelförmiger Tokamak keine echte Kugel: Er ähnelt eher einer ungeschälten Erdnuss. Diese Form, denken Befürworter, gibt ihm einige entscheidende Vorteile. Die kleinere Größe ermöglicht es, die Magnete näher am Plasma zu platzieren, wodurch die Energie (und die Kosten) reduziert werden, die benötigt werden, um sie tatsächlich mit Strom zu versorgen. Plasma neigt auch dazu, während der gesamten Reaktion in einem kugelförmigen Tokamak stabiler zu wirken.

Aber es gibt auch Nachteile. In einem Standard-Tokamak enthält das Donut-Loch in der Mitte der Kammer einige dieser wichtigen Elektromagnete, zusammen mit der Verkabelung und den Komponenten, die benötigt werden, um die Magnete mit Strom zu versorgen und sie zu stützen. Durch die Verkleinerung des Tokamaks wird dieser Platz auf so etwas wie einen Apfelkern reduziert, was bedeutet, dass das Zubehör entsprechend miniaturisiert werden muss. „Die Technologie, alles durch das schmale Loch in der Mitte zu bekommen, ist ziemlich harte Arbeit“, sagt Cowley. „Wir hatten da einige Fehlstarts.“

Zusätzlich zu den Anpassungsproblemen neigen diese Komponenten dazu, sich schneller abzunutzen, wenn sie näher am himmlisch heißen Plasma platziert werden. Im Hintergrund stellen Forscher neue Komponenten her, um diese Probleme zu lösen. In Princeton hat eine Gruppe schrumpfte diese Magnete und umwickelte sie mit speziellen Drähten die keine herkömmliche Isolierung haben – die in einem teuren und fehleranfälligen Prozess speziell behandelt werden müssten, um den rauen Bedingungen von Fusionsreaktoren gerecht zu werden. Diese Entwicklung löst nicht alle Probleme, aber es ist ein inkrementeller Schritt.

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Andere träumen davon, noch weiter zu gehen. Die Welt der experimentellen Tokamaks bereitet sich gerade vor ITER, ein Testreaktor mit Rekordkapazität Das ist seit den 1980er Jahren im Gange und wird in diesem Jahrzehnt endlich den Bau in Südfrankreich abschließen. Es wird hoffentlich bis in die 2040er Jahre den Weg für eine brauchbare Fusionskraft ebnen.

Inzwischen entwerfen Fusionswissenschaftler in Großbritannien bereits etwas sehr Ähnliches ein kugelförmiger Tokamak zur Energieerzeugung oder STEP. Die Kammer ist noch lange nicht fertig – die optimistischsten Pläne sehen vor, dass sie nicht vor Mitte der 2030er Jahre mit dem Bau beginnen und bis etwa 2040 Strom erzeugen wird – aber es ist ein Hinweis darauf, dass die Ingenieure das kugelförmige Tokamak-Design sehr ernst nehmen.

„Wir müssen uns immer wieder fragen: ‚Wenn ich heute einen Reaktor bauen würde, was würde ich bauen?’“, sagt Cowley. Sphärische Tokamaks, denkt er, fangen an, in diese Gleichung einzutreten.