US-Wissenschaftler haben zum ersten Mal einen Energiegewinn in einer Fusionsreaktion erzielt, bestätigte die Energieministerin des Landes, Jennifer Granholm, und kündigte den Durchbruch als Beweis dafür an, dass die Technologie schließlich eine reichlich vorhandene, kohlenstofffreie Alternative zu fossilen Brennstoffen bieten könnte.
„Dies ist ein Meilenstein“, sagte Granholm am Dienstag auf einer Pressekonferenz in Washington und bestätigte den Durchbruch, über den erstmals die Financial Times berichtete.
„Wir haben die ersten vorsichtigen Schritte in Richtung einer sauberen Energiequelle unternommen, die die Welt revolutionieren könnte“, sagte Jill Hruby, Administratorin der National Nuclear Security Administration.
Aber wie viel näher bringt dieser Durchbruch den Energiesektor dem Traum von der Fusionskraft?
Was ist Fusion?
Fusion ist die Reaktion, die die Sonne antreibt. Dabei werden zwei Wasserstoffisotope – normalerweise Deuterium und Tritium – auf so extreme Temperaturen erhitzt, dass die Atomkerne verschmelzen, wobei Helium und Unmengen an Energie in Form von Neutronen freigesetzt werden.
Anders als bei der Kernspaltung entstehen bei dem Verfahren keine langlebigen radioaktiven Abfälle. Es emittiert auch keinen Kohlenstoff, und Wissenschaftler schätzen, dass eine kleine Tasse des Brennstoffs ein Haus mehr als 800 Jahre lang mit Strom versorgen könnte.
Die Befürworter von Fusion beschreiben es als den „Heiligen Gral“ der sauberen Energie: eine Technologie, die theoretisch nahezu unbegrenzten, kohlenstofffreien Strom liefern könnte.
Aber obwohl sowjetische Wissenschaftler in den 1950er Jahren die erste Fusionsmaschine mit einem Prozess namens Magnetic Confinement entwickelten, war bis jetzt keine Gruppe in der Lage, mehr Energie aus einer Fusionsreaktion zu erzeugen, als sie verbrauchte – ein wissenschaftlicher Meilenstein, der in der Fachwelt als wissenschaftliche Energiegewinnung oder bekannt ist Zielgewinn.
Was haben die US-Wissenschaftler erreicht?
Wissenschaftler der National Ignition Facility der US-Regierung am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien haben dieses Ziel des Energiegewinns in der Reaktion zum ersten Mal erreicht.
Das 3,5 Milliarden US-Dollar teure NIF, das 2009 eröffnet wurde, war in erster Linie zum Testen von Atomwaffen durch die Simulation von Explosionen konzipiert, wurde aber auch zur Förderung der Fusionsenergieforschung eingesetzt.
Der magnetische Einschluss, der nach wie vor am häufigsten untersuchte Ansatz zur Fusion, verwendet riesige Magnete, um den Deuterium-Tritium-Brennstoff an Ort und Stelle zu halten, während er auf Temperaturen erhitzt wird, die heißer als die Sonne sind.
Der NIF verwendet einen anderen Prozess, der als Trägheitseinschluss bezeichnet wird, bei dem er 192 Laser auf eine winzige Kapsel des Treibstoffs abfeuert. Die Laser erhitzen den Treibstoff auf mehr als 3 Millionen Grad Celsius, wodurch die Oberfläche der Zielkapsel weggeblasen wird, was das verursacht, was das NIF als „raketenähnliche“ Implosion bezeichnet. Dadurch wird der Brennstoff komprimiert und weiter erhitzt, bis die Wasserstoffatome in Deuterium und Tritium verschmelzen und Helium und Energie freisetzen.
In dem Experiment am 5. Dezember erzeugte die Reaktion etwa 3,15 Megajoule Energie, was etwa 150 Prozent der 2,05 MJ Energie in den Lasern entsprach, teilte das Labor am Dienstag mit. Der Gewinn war sogar noch größer als die vorläufigen Ergebnisse, die von der FT gemeldet wurden.
Bedeutet das, dass sie eine geknackte Fusionskraft haben?
Nein. Das Erzielen von Energiegewinnen wird seit Jahrzehnten als entscheidender Schritt angesehen, um zu beweisen, dass kommerzielle Fusionskraftwerke möglich sind. Allerdings sind noch einige Hürden zu überwinden.
Erstens vergleicht der Energiegewinn in diesem Zusammenhang nur die abgegebene Energie mit der Energie in den Lasern, nicht mit der Gesamtenergiemenge, die aus dem Netz gezogen wird, um das System mit Strom zu versorgen. Tatsächlich erfordert jeder Schuss 330 MJ elektrische Energie, die in einem 400-Mikrosekunden-Burst abgegeben wird.
Das System, das die Laser am NIF antreibt, ist alt und nicht auf maximale Energieeffizienz ausgelegt. Wissenschaftler schätzen jedoch immer noch, dass die kommerzielle Fusion Fusionsreaktionen erfordern wird, die zwischen dem 30- und 100-fachen der Energie erzeugen, die hineingeht.
Die NIF macht auch maximal einen Schuss pro Tag, während ein Kraftwerk mit internem Einschluss wahrscheinlich mehrere Schüsse pro Sekunde ausführen müsste.
„Das Experiment zeigt eindeutig, dass die Physik der Laserfusion funktioniert“, sagte Robbie Scott, ein Plasmaphysiker, der Forschungsbeiträge zum NIF geleistet hat. „Die nächsten Schritte umfassen die Demonstration noch höherer Fusionsenergiegewinne und die Weiterentwicklung effizienterer Methoden zum Antreiben der Implosion.“
Wie schneidet es im Vergleich zu anderen jüngsten Durchbrüchen ab?
Die Errungenschaft am NIF folgt großen Ankündigungen in den letzten 18 Monaten durch andere öffentlich finanzierte Fusionslabors mit etwas anderen Forschungszielen.
Letztes Jahr gelang es in China einer als Tokamak bekannten magnetischen Einschlussmaschine namens East – dem Experimental Advanced Supraconductor Tokamak –, eine Fusionsreaktion bei 120 mnC für eine Rekordzeit von 101 Sekunden aufrechtzuerhalten. Temperaturen von mehr als 100 mnC, die im Allgemeinen für die magnetische Einschlussfusion erforderlich sind, wurden zuvor erreicht, aber nie über einen so langen Zeitraum gehalten.
Im Mai erzeugten Forscher am weltweit größten und leistungsstärksten Tokamak in Oxford, dem Joint European Torus (JET), eine Rekordleistung von 59 MJ aus einer anhaltenden Reaktion von fünf Sekunden. Das war genug Energie, um etwa 60 Wasserkocher zum Kochen zu bringen, und mehr als das Doppelte des bisherigen Energieleistungsrekords von 22 MJ, der 1997 von JET aufgestellt wurde.
Keine der Reaktionen zeigte einen Energiegewinn wie die NIF, aber keine der Einrichtungen hatte das Erzielen von Gewinnen priorisiert, sagten Experten.
Was passiert als nächstes?
Der Sektor hofft, dass der Durchbruch das Interesse und die Investitionen wecken und so den Fortschritt beschleunigen wird.
In der Vergangenheit wurde der größte Teil der Fusionswissenschaft von öffentlich finanzierten Labors wie dem NIF und JET betrieben, aber in den letzten Jahren sind auch Investitionen in private Unternehmen geflossen, die versprechen, in den 2030er Jahren Fusionsenergie zu liefern.
Melanie Windridge, eine Plasmaphysikerin, die das Beratungsunternehmen Fusion Energy Insights leitet, wies darauf hin, dass das NIF, dessen Bau 3,5 Milliarden Dollar gekostet hat, 13 Jahre alt sei und auf einer in den 1980er Jahren entwickelten Lasertechnologie basiere.
„Wenn Sie das mit veralteter Technologie tun können, zeigt das nur, was mit der neuesten Ausrüstung möglich sein könnte“, sagte sie. „Wenn sie private Unterstützung erhalten und in der Lage sind, sich in diesen aggressiven Zeitskalen zu bewegen, können sie Spitzentechnologie einsetzen. . . und das ist ungeheuer spannend.“