Wann wird die lang erwartete Kernfusion die Welt erleuchten?

Die Kernfusionsenergie gilt als die sauberste Energie, da sie frei von Umweltverschmutzung ist. Es gilt auch als unbegrenzte Energiequelle. Dies liegt daran, dass es auf der Erde und auf dem Mond im Vergleich zu anderen Energiequellen große Mengen an Kernfusionsbrennstoff gibt und schon eine Handvoll davon eine enorme Menge an Elektrizität erzeugen kann.

Beispielsweise enthält Meerwasser 30 mg schweren Wasserstoff oder Deuterium pro Liter Meerwasser. Die durch die Fusion dieses Deuteriums freigesetzte Energie entspricht der Verbrennung von 340 Litern Benzin. Basierend auf der Benzindichte von etwa 0,725 entspricht die Energie eines Kubikmeters Meerwasser 246,5 Tonnen Benzin.

Auf der Erde gibt es etwa 137 Billionen Kubikmeter Meerwasser, was 55,58 Billionen Tonnen Benzin als Kernfusionsbrennstoff entspricht. Im Jahr 2023 wird der weltweite Gesamtenergieverbrauch 21,1 Milliarden Tonnen Standardkohle betragen und die thermische Energie jeder Tonne Standardkohle wird etwa 29,3 GJ betragen. Die thermische Energie von Benzin ist größer als die von herkömmlicher Kohle. Die thermische Energie jeder Tonne Benzin beträgt etwa 32 GJ. Selbst im Verhältnis 1:1 berechnet, reicht die aus Meerwasser gewonnene Kernfusionsenergie allein aus, um es der Menschheit bei ihrem heutigen Lebensstil 260.000 Jahre lang zu nutzen.

Die aufgezeichnete Geschichte der Menschheit reicht nur wenige tausend Jahre zurück, doch die Kernfusionsenergie kann der Menschheit noch Hunderttausende von Jahren zur Verfügung stehen und stellt für die Menschheit heute eine unbegrenzte Energiequelle dar. Natürlich ist dieser Algorithmus nur auf das derzeit niedrige Niveau der menschlichen Zivilisation beschränkt. Mit der Weiterentwicklung der menschlichen Zivilisation wird der Energiebedarf um ein Vielfaches steigen. Bis dahin wird die Kernfusion nicht mehr in der Lage sein, das Überleben und die Entwicklung der menschlichen Zivilisation zu sichern.

Es gibt ein wissenschaftliches Modell, das davon ausgeht, dass die Menschheit, wenn sie die zweite Zivilisationsstufe erreicht, eine Dyson-Sphäre bauen muss. Das bedeutet, dass sie die gesamte Sonne umhüllen und die gesamte Sonnenenergie nutzen muss, um die Bedürfnisse der Zivilisation zu erfüllen. Dies ist ein anderes Thema und ich werde heute nicht im Detail darauf eingehen.

Was genau ist Kernfusion? Es klingt kompliziert, aber vereinfacht ausgedrückt geht es darum, zwei Atomkerne zusammenzudrücken und sie zu einem schwereren Kern zu verschmelzen. Bei der aktuellen Kernfusion geht es darum, das einfachste Element – ​​Wasserstoffkerne – zu Heliumkernen zu komprimieren und zu verschmelzen. Bei dieser Fusionsreaktion gehen etwa 0,7 % der Masse verloren. Diese Masse wird in Energie umgewandelt und die Energie zur Stromerzeugung gesammelt, was das aktuelle Ziel der kontrollierten Kernfusion ist.

Obwohl durch Kernfusion nur Energie mit einer Massenumwandlungsrate von 0,7 % erzeugt werden kann, ist sie bereits weltbewegend genug. Gemäß Einsteins Masse-Energie-Gleichung E=MC^2 kann der Kernfusionsprozess von 1 kg Materie 9^16J Energie erzeugen, was 25 Milliarden Kilowatt Strom entspricht. Diese Art der Energie ist nicht mehr nur eine Theorie, sondern in der Realität längst bestätigt. Die Explosion einer Wasserstoffbombe ist eine Manifestation dieser Energie, aber diese augenblickliche Explosion ist unkontrollierbar und kann der menschlichen Zivilisation grundsätzlich nützen, abgesehen von Krieg und Zerstörung.

Daher wird die Kernfusion, die die Energieprobleme der Menschheit dauerhaft lösen kann, als kontrollierte Kernfusion bezeichnet. Das heißt, die enorme Energie der Kernfusion kann langsam und kontrolliert freigesetzt werden, sodass sie für soziale und kommerzielle Zwecke genutzt werden kann. Wie diese Energie kontrollierbar gemacht werden kann, ist ein Thema, mit dem sich Wissenschaftler seit den 1950er Jahren beschäftigen.

Der Prozess der Kernfusion findet auf atomarer Ebene statt und ist daher ein äußerst mikroskopischer Vorgang. Atomkerne sind extrem kleine Substanzen, aber es ist sehr schwierig, sie so zusammenzupressen, dass eine Fusion stattfindet und eine Kettenreaktion ausgelöst wird. Es erfordert enormen Druck. Die Kernfusion im Kern der Sonne findet unter einem Druck von 250 bis 300 Milliarden Atmosphären statt. Dieser Druck kann auf der Erde nicht erreicht werden und kann daher nur durch hohe Temperaturen ausgeglichen werden.

Um eine Kernfusion in einer Kettenreaktion zu erreichen, muss die Temperatur daher mindestens 100 Millionen Grad Celsius betragen. Dies bringt mehrere Schwierigkeiten mit sich, die nur schwer zu überwinden sind, nämlich: Wie erreicht man eine so hohe Temperatur, welche Art von Behälter muss man verwenden, um ein so heißes Plasma einzuschließen, wie kann man diese Energie sammeln und nutzen usw. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Wegen, diese Schwierigkeiten zu überwinden, und haben Stück für Stück Fortschritte gemacht.

Die Substanz auf der Erde, die den höchsten Temperaturen standhält, ist die Hafniumlegierung (Ta4HfC5) mit einem Schmelzpunkt von 4215 °C. Allerdings beträgt diese hohe Temperatur nicht einmal einen Bruchteil der Milliarden Grad hohen Temperatur, die für die Kernfusion erforderlich ist. Daher kann das Hochtemperaturplasma der Kernfusion nicht durch eine physikalische Hülle eingeschlossen werden. Nach Forschungen und Experimenten haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die einzige Möglichkeit, diese ultrahohe Temperaturenergie einzuschränken, die Verwendung unsichtbarer magnetischer Einschlussmechanismen, Trägheitseinschlussmechanismen und Schwerkrafteinschlussmechanismen ist.

Auf der Erde ist es unmöglich, eine so große Gravitationseinschließung wie im Kern der Sonne zu erreichen. Daher können wir zur Lösung des Problems der Hochtemperatur-Plasmaeinschließung bei der Kernfusion nur Technologien der magnetischen Einschließung und der Trägheitseinschließung verwenden. Aber auch nach fünfzig oder sechzig Jahren ist die Sperrzeit noch immer sehr kurz, insbesondere die Ausgangsleistung, also der Q-Wert, ist noch immer extrem niedrig. Infolgedessen sind viele Menschen hinsichtlich der Kernfusion zunehmend pessimistisch geworden und glauben, dass die Erfolgsaussichten gering sind.

Der sogenannte Q-Wert ist das Verhältnis der Eingangsenergie zur Ausgangsenergie des Kernfusionsprozesses. Je größer die Ausgangsenergie im Verhältnis zur Eingangsenergie ist, desto höher ist der Q-Wert. Nur wenn die Ausgangsenergie größer ist als die Eingangsenergie, kann die Kernfusionstechnologie der Menschheit von Nutzen sein. Das ist ein bisschen wie Geschäfte machen. Nur wenn Sie weniger Kapital haben und mehr Geld verdienen, können Sie Gewinn machen.

Doch diese einfache Wahrheit war im Bereich der Kernfusion schon immer schwer zu erreichen. Der bislang höchste Q-Wert für die Kernfusionsleistung wurde 2023 von der National Ignition Facility in den USA mit einem Rekordwert von 1,89 festgelegt. Obwohl dies ein Durchbruch war, war er nur von kurzer Dauer. Die Kernfusionsreaktion dauerte nur 5,2 Sekunden und die Ausgangsenergie betrug lediglich 3,88 Megajoule, was etwa 1 Kilowattstunde Strom entspricht. Darüber hinaus wird bei diesem Experiment die Trägheitslaserzündungstechnologie und nicht die weltweit übliche Tokamak-Magneteinschlusstechnologie verwendet.

Der durch die magnetische Einschlusstechnologie erreichte Q-Wert wurde 1997 vom Joint European Toroidal Reactor (JET) im Culham Fusion Centre in Oxfordshire, Großbritannien, entwickelt. Der Weltrekord für den Q-Wert der Kernfusionsleistung liegt bei nur 0,67. Das bedeutet, dass bei einer Energiezufuhr von 1 das Ergebnis nur 0,67 beträgt, was bedeutet, dass man für 1 Yuan Waren im Wert von nur 0,67 Yuan kauft. Es ist ein verlustbringendes Geschäft. Im Oktober 2023 verbrauchte JET 0,21 mg Treibstoff, hielt nach der Zündung 5,2 Sekunden lang eine Kernfusionsreaktion aufrecht und erzeugte 69 Megajoule Energie. Obwohl es im Jahr 2021 eine Ausgangsleistung von über 59 Megajoule erzeugte, konnte es den Q-Wert-Rekord von 1997 nicht brechen.

Unter den experimentellen Stars der Tokamak-Anlagen auf der ganzen Welt ist der japanische JT-60 ein Highlight. Im Jahr 2004 wurde ein Rekord für die Aufrechterhaltung einer Einschlusstemperatur von 20 Millionen Grad Celsius für 31 Minuten und 45 Sekunden und im Jahr 2006 ein Rekord für die Aufrechterhaltung einer Einschlusstemperatur von 100 Millionen Grad Celsius für 28,6 Sekunden aufgestellt. Zuvor wurde 1997 ein Rekord für einen Q-Wert von 1,25 aufgestellt, dieser Rekord wurde jedoch durch ein Deuterium-Tritium-Reaktionsexperiment erreicht und galt als für die praktische Anwendung unbrauchbar. Aber zumindest gibt es den Menschen Hoffnung und beweist, dass das Tokamak-Gerät theoretisch eine positive Energieabgabe erzeugen kann.

Wann wird die kontrollierte Kernfusion tatsächlich für die zivile Nutzung realisiert? Die Aussichten bleiben düster und der langsame Fortschritt hat bei vielen Menschen die Geduld gekostet. Doch Wissenschaftler auf der ganzen Welt haben nicht aufgegeben und arbeiten weiterhin hart und eifrig. Unter ihnen hat eine Gruppe chinesischer Wissenschaftler besonders hart gearbeitet und bemerkenswerte Erfolge erzielt, die weltweite Aufmerksamkeit erregt haben.

Die höchsten Temperaturrekorde der auf Tokamak-Geräten basierenden magnetischen Einschlusstechnologie wurden 1995 in den USA mit 510 Millionen Grad Celsius und 1996 in Japan mit 522 Millionen Grad Celsius aufgestellt. Wie lange diese Temperatur gehalten wurde, wurde nicht bekannt gegeben; es dürfte sich um eine sehr kurze Zeit handeln und möglicherweise geschah dies augenblicklich. Der Rekord für die Aufrechterhaltung der Plasmaeinschließung über 31 Minuten wurde vom japanischen JT-60 bei einer Temperatur von nur 2.000 Grad Celsius aufgestellt. der Rekord für die Aufrechterhaltung von 100 Millionen Grad Celsius lag bei nur 28,6 Sekunden.

Chinas „Eastern Super Ring“ in Hefei, Anhui, dessen vollständiger Name East Superconducting Tokamak (EAST) lautet, stellte im Mai 2021 einen Rekord von 120 Millionen Grad Celsius auf, der 101,2 Sekunden lang gehalten wurde, und stellte im Dezember desselben Jahres einen Rekord von 70 Millionen Grad Celsius auf, der 1056 Sekunden lang gehalten wurde; Am 12. April 2023 erreichte es einen stationären Plasmabetrieb im Hocheinschlussmodus für 403 Sekunden, ein Rekord, der bis heute nicht gebrochen wurde. Darüber, wie hoch der Q-Wert nun sein könnte, liegen noch keine Informationen vor.

Darüber hinaus erhöht die chinesische Regierung kontinuierlich ihre Investitionen in die kontrollierte Kernfusionsforschung. Laut Paul Allan, dem Leiter des Office of Fusion Energy Sciences im US-Energieministerium, investiert die chinesische Regierung jedes Jahr 1,5 Milliarden Dollar in die Kernfusionsforschung, während die USA jährlich nur etwa 800 Millionen Dollar investieren. Obwohl Chinas Forschung zur Kernfusion später begann als die der USA, nimmt ihr Tempo immer mehr zu und die Zahl der Patente, die das Land bisher erhalten hat, übersteigt die jedes anderen Landes.

Neben dem „Eastern Super Ring“ in Anhui erzielt China derzeit ständig Durchbrüche. Auch der „Central Ring Nr. 3“ wurde in Chengdu gebaut und ist bereits in Betrieb. Bei diesem wurde ein Betrieb im High-Confinement-Modus mit einem Plasmastrom von 1 Million Ampere erreicht. Das BEST-Tokamak-Projekt befindet sich derzeit im Bau und soll 2007 abgeschlossen sein. Außerdem wird massiv in das Projekt International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) investiert. Diese Bemühungen werden in rasantem Tempo vorangetrieben, wobei bahnbrechende Ergebnisse erzielt werden und weltweite Aufmerksamkeit erregt wird.

Chinas Programm zur Förderung der Anwendung der Kernfusion zielt darauf ab, bis 2028 einen Betrieb zur Stromerzeugung durch Kernfusion mit einer Leistung von 50 Millionen Ampere zu erreichen. Chinas Entwicklungsfahrplan im Bereich der Kernfusion zeigt, dass um das Jahr 2050 ein kommerzielles Fusionskraftwerk gebaut werden soll. Viele internationale Behörden haben daher kommentiert, dass die kontrollierte Kernfusionstechnologie aufgrund der erhöhten Investitionen und der starken Förderung durch die chinesische Regierung wahrscheinlich einige etablierte Technologiemächte überholen und möglicherweise als erste weltweit die Lampe zur kommerziellen Anwendung entzünden wird.

Laut der im Juli 2024 von der Fusion Industries Association (FIA) veröffentlichten Umfrage „Global Fusion Industry 2024: Fusion Company Survey“ geht die überwiegende Mehrheit der Unternehmen weltweit davon aus, dass die Stromerzeugung durch Fusion Anfang der 2030er Jahre gelingt. Was die Technologiewege betrifft, verfolgen die meisten Unternehmen den Weg der magnetischen Einschlusstechnologie (23 Unternehmen), zusätzlich zum magnetischen Trägheitseinschluss (5 Unternehmen), Trägheitseinschluss (9 Unternehmen), hybriden magnetischen/elektrostatischen Einschluss (3 Unternehmen), magnetischen Trägheitseinschluss (3 Unternehmen), mesonenkatalysierten Fusion (1 Unternehmen) und anderen nicht traditionellen Konzepten/nicht näher spezifizierten (3 Unternehmen) und anderen Methoden.

Auf diese Weise scheint die kleine Hoffnung immer sichtbarer und greifbarer geworden zu sein. Wenn in absehbarer Zukunft das Licht der Kernfusion die Welt erleuchtet, wird dies der Zeitpunkt sein, an dem die menschliche wissenschaftliche und technologische Zivilisation in eine neue Phase eintritt. Freuen wir uns darauf. Was denkst du darüber? Willkommen zur Diskussion.

Dies ist ein Originalartikel von Space-Time Communication. Bitte respektieren Sie das Urheberrecht des Autors. Vielen Dank fürs Lesen.