Es gibt weitere gute Nachrichten zur kontrollierten Kernfusion. Wann wird die Menschheit diesen Fluch durchbrechen? Drei große Probleme bleiben ungelöst

Autor: Gan Shudong (Wissenschaftsraketen-Onkel)

Am 1. Dezember 2023 wurde in Japan der weltweit größte experimentelle Kernfusionsreaktor JT-60SA offiziell gezündet und in Betrieb genommen. Also, Freunde, wird der Fluch, der die Menschheit zurückgehalten hat – dass die kontrollierte Kernfusion noch weitere 50 Jahre warten muss – endlich aufgehoben? Ich habe genauer hingeschaut und es ist nicht so einfach. Wir müssen noch auf ein paar Schlüsselwörter im Nachrichtentitel achten – experimentell. Ja, dieser von der Europäischen Union und Japan gemeinsam gebaute kontrollierte Kernfusionsreaktor ist immer noch nur eine experimentelle Anlage. Was es erreichen muss, ist, mehr bahnbrechende experimentelle Daten und technische Verifizierungsunterstützung für seinen großen Bruder, das Projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), bereitzustellen, das sich noch immer im Bau in Frankreich befindet und weltweite Aufmerksamkeit und Anstrengungen auf sich gezogen hat. Im Wesentlichen gibt es zwischen den beiden keinen Unterschied. Bei beiden handelt es sich um kontrollierte Kernfusionsanlagen, die Tokamaks oder auch „Donuts“ genannt werden. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Donut, den Japan gerade in Betrieb genommen hat, nur ein Sechstel des Donuts beträgt, den Frankreich bis 2035 betreiben will.

Was genau ist also kontrollierte Kernfusion? Was ist ein Tokamak-Gerät? Was genau möchte JT-60SA überprüfen? Müssen wir wirklich 50 Jahre warten, bis wir den erzeugten Strom nutzen können? ......und so weiter. Fragen wie diese tauchen in Ihrem Kopf auf. Unser heutiges Ziel besteht darin, sie Ihnen klar zu erklären.

Lassen Sie uns zunächst darüber sprechen, was kontrollierte Kernfusion ist. Kurz gesagt, es ahmt die Art und Weise nach, wie im Inneren der Sonne Energie erzeugt wird – durch die Verschmelzung zweier leichter Elemente, normalerweise zwei Wasserstoffisotope, Deuterium und Tritium, zu einem schwereren Element, wodurch eine große Menge Energie freigesetzt wird. Bei diesem Vorgang werden die Kerne der leichten Elemente so stark zusammengedrängt, dass sie die gegenseitige Abstoßung überwinden und verschmelzen. Um eine kontrollierte Kernfusion zu erreichen, müssen die Kerne von Deuterium und Tritium zunächst auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden, um sie in einen Zustand zu versetzen, der als Plasma bezeichnet wird. Plasma ist ein Gas, das aus geladenen Atomkernen und Elektronen besteht. Seine Temperatur kann Hunderte Millionen Grad Celsius erreichen und ist damit heißer als im Kern der Sonne. Bei diesen Temperaturen bewegen sich die Atomkerne von Deuterium und Tritium mit extrem hoher Geschwindigkeit und kollidieren manchmal miteinander. Wenn die Kollision stark genug ist, verbinden sie sich zu einem schwereren Kern – Helium. Dabei verschwindet ein Teil der Masse und wird in Energie umgewandelt. Diese Energie ist das Produkt der Kernfusion und kann zur Stromerzeugung oder für andere Zwecke genutzt werden. Apropos: Es gibt so viele Möglichkeiten, Strom zu erzeugen. Warum lieben wir die Kernfusion so sehr? Denn um es zusammenzufassen: Es hat die folgenden Vorteile, die andere nicht haben: Die kontrollierte Kernfusion hat die folgenden Vorteile: Erstens: reichlich vorhandene Ressourcen. Die wichtigsten Brennstoffe für die kontrollierte Kernfusion sind Deuterium und Tritium, Isotope des Wasserstoffs. Deuterium kommt in hohen Konzentrationen im Meerwasser der Erde vor und Tritium kann durch die Reaktion von Lithium mit Neutronen entstehen. Lithium ist ebenfalls ein weit verbreitetes Element. Man schätzt, dass die freigesetzte Energie für die Menschheit für zig Milliarden Jahre ausreichen würde, wenn das gesamte Deuterium im Meerwasser der Erde für Fusionsreaktionen verwendet würde. zweitens ist es umweltfreundlich. Das Reaktionsprodukt der kontrollierten Kernfusion ist Helium ohne radioaktive Verschmutzung. Dabei entstehen weder Treibhausgase noch andere Schadstoffe, noch entsteht langlebiger Atommüll, und die Umwelt wird grundsätzlich nicht verschmutzt. Drittens ist es sicher und zuverlässig. Zur Aufrechterhaltung einer kontrollierten Kernfusion sind extrem hohe Temperaturen und Drücke erforderlich. Sobald ein Fehler oder Unfall auftritt, wird die Reaktion automatisch gestoppt. Es besteht weder Explosions- noch Kernschmelzgefahr noch besteht eine Strahlengefahr für die Umgebung. Viertens weist das Land eine hervorragende Wirtschaftsleistung auf. Der Energieertrag einer kontrollierten Kernfusion ist weitaus größer als der Energieeinsatz. Der Energiegewinnfaktor, also der Q-Wert, kann mehr als das 10-fache erreichen, d. h. es können 50 Megawatt Eingangsenergie abgegeben werden. Dies bedeutet, dass die kontrollierte Kernfusion geringe Betriebs- und Wartungskosten verursacht und günstigen Strom liefern kann.

Allerdings handelt es sich bei den oben genannten Punkten allesamt um Ideale. In einem tatsächlichen kontrollierten Kernfusionsreaktor ist es sehr schwierig, einen positiven Energiegewinn zu erzielen. Tatsächlich soll JT-60SA ITER dabei helfen, das Problem der positiven Energiegewinnung zu überprüfen. Obwohl die vierstöckige Maschine dafür ausgelegt ist, ein auf 200 Millionen Grad Celsius erhitztes Plasma etwa 100 Sekunden lang aufrechtzuerhalten, ist dies viel länger als bei früheren großen Tokamaks. Bis Plasma stabil, kontinuierlich und wirtschaftlich betrieben werden und Leistung abgeben kann, ist es jedoch noch ein weiter Weg. Übrigens muss ich, wenn wir schon dabei sind, erklären, was ein Tokamak-Gerät ist. Es handelt sich um einen der technischen Wege zur kontrollierten Kernfusion, die wir als magnetischen Einschluss bezeichnen.

Das Tokamak-Gerät sieht aus wie ein Donut. Warum heißt es Donut? Denn tatsächlich handelt es sich um eine ringförmige Fusionskammer, die von Magnetspulen umgeben ist. Sie können sehr starke Magnetfelder erzeugen, die Hochtemperaturplasmen einfangen können, die auf Temperaturen erhitzt werden, die die Grenzen aller hitzebeständigen Materialien auf der Erde weit überschreiten. Dadurch können sie dort die richtige Dichte und Temperatur aufrechterhalten und Bedingungen für das Aufbrechen der Abstoßungskraft und die Polymerisation zwischen Atomkernen schaffen. Allerdings gibt es derzeit mehrere große Probleme, die gelöst werden müssen: Das erste und wichtigste ist, wie man es am Brennen hält. Ich kann zunächst eine große Menge Energie zuführen, um das Plasma zu erhitzen und die Kernfusion zu zünden. Was soll ich jedoch tun, wenn eine solche Fusion nicht allein aufrechterhalten werden kann und ich weiterhin Energie zuführen muss? Einfach zum Spaß ein Feuer anzünden? Offensichtlich nicht, und genau das möchten wir lösen – einen positiven Energiegewinn. Das Problem besteht jedoch darin, dass immer ein Teil des Plasmas durchschlüpfen wird, egal wie stark oder gut ausgebildet das Magnetfeld ist, das das Plasma einschließt. Da positive Atomkerne oder Ionen, die um magnetische Feldlinien kreisen, kollidieren und zerstreuen, driften sie unvermeidlich aus dem magnetischen Einschlussfeld heraus. Wenn zu viel Kraftstoff wegschwimmt, kann die Verbrennung nicht fortgesetzt werden. Die einzige bekannte Lösung besteht darin, den Reaktor zu vergrößern, sodass die verstreuten Ionen länger brauchen, um die Grenzen des Plasmas zu erreichen, sodass in der Zwischenzeit mehr Fusion stattfinden kann. Das ist allerdings etwas simpel. Wir können also erkennen, warum ITER sechs Stockwerke hoch ist und JT-60SA vier Stockwerke. Sie sind so konzipiert, dass sie mehr Verpackungsraum für Plasma bieten. Allerdings reicht selbst diese Größe noch nicht aus, um die kontinuierliche Verbrennung des Plasmas aufrechtzuerhalten und Energie zu erzeugen. Es kann lediglich als größeres Testgerät angesehen werden. Nun, diese Frage ist immer noch ungeklärt, und nun kommt die zweite Frage, die praktischer erscheint. Selbst wenn wir die Kernfusion im Inneren weiterhin zünden können, wie gewinnen wir die dabei erzeugte Energie? Oh, das ist noch ein Witz. Auch wenn die menschliche Technologie bis zu diesem Punkt fortgeschritten ist, sind wir immer noch auf das Kochen von Wasser angewiesen, um daraus Energie zu gewinnen. Tokamaks erzeugen Energie durch die Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium zu Helium, wobei der Großteil der Energie in Form schneller, energiereicher Neutronen freigesetzt wird. Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen ohne Ladung, sie erhitzen das Plasma also nicht und werden nicht durch Magnetfelder eingeschränkt. Sobald sie produziert sind, werden sie überall hin schießen. Deshalb haben wir speziell dafür eine dicke Schutzhülle vorbereitet, lassen es darauf treffen, erhitzen die Schutzhülle und nutzen dann diese Temperatur, um das Wasser zu Wasserdampf zu verdampfen und so die Turbine und den Generator mit Strom zu versorgen, um den gewünschten Strom zu erzeugen. Das Problem besteht jedoch darin, dass das Abschirmmaterial durch den ständigen Neutronenbeschuss mit der Zeit zerfällt und hochradioaktiv wird, was bei der Entfernung, dem Austausch und der Entsorgung ernsthafte Probleme aufwirft. Wir haben das nicht ganz durchdacht und es scheint, dass es nicht so sauber ist, oder? Und drittens ist auch die Beschaffung von Kernbrennstoff ein Problem. Derzeit verwenden wir Deuterium-Tritium-Fusionsreaktionen, da diese von allen möglichen Fusionsbrennstoffen im niedrigsten Energiezustand und bei der niedrigsten Plasmatemperatur ablaufen und daher leichter zu zünden und am Brennen zu halten sind. Obwohl es theoretisch viel Deuterium und Tritium auf der Erde gibt, kommt Tritium in der Natur tatsächlich nicht in großen Mengen vor. Es muss in Kernreaktoren hergestellt werden. Mit den heutigen Produktionskapazitäten können wir nicht genug Tritium produzieren, um ITER kontinuierlich mit Strom zu versorgen, geschweige denn größere und besser kontrollierte Kernfusionskraftwerke, die tatsächlich Strom erzeugen.

Obwohl der Reaktor JT-60SA dieses Mal offiziell gezündet und in Betrieb genommen wurde, haben wir noch einen langen Weg vor uns, bevor wir den Fluch der kontrollierten Kernfusion brechen können.

Okay, nachdem wir nun über Japans JT-60SA gesprochen haben, wollen wir einen Blick darauf werfen, wie es in anderen Ländern der Welt auf dem Weg zur kontrollierten Kernfusion aussieht. Lassen Sie uns zuerst über China sprechen. Derzeit verfügen wir über die vollständig supraleitende Tokamak-Kernfusions-Experimentieranlage EAST und die kontrollierte Kernfusions-Forschungsanlage „China Tokamak III“. EAST ist die weltweit erste vollständig supraleitende experimentelle Kernfusionsanlage mit nicht-kreisförmigem Querschnitt, die gebaut und betrieben wird. Es stellte einmal einen Weltrekord auf, indem es 101 Sekunden lang bei 120 Millionen Grad Celsius lief. Tokamak-3 ist die fortschrittlichste experimentelle Anlage zur Kernfusion, die von meinem Land unabhängig entwickelt, gebaut und betrieben wird. Sie ist in der Lage, Hochtemperaturplasma mit 150 Millionen Grad Celsius zu erzeugen. Als nächstes kommen die Vereinigten Staaten, die über die National Ignition Facility (NIF) und den LCLS-II-Röntgenlaser im Stanford Linear Accelerator Center verfügen. NIF ist das weltweit größte Lasergerät, das zur Kernfusion die Methode der Trägheitseinschluss nutzt. Im Januar 2022 wurde ein Phänomen namens „brennendes Plasma“ erreicht, d. h. die vom Fusionsbrennstoff abgegebene Energie übersteigt die zugeführte Wärmemenge, was einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur kontrollierten Kernfusion darstellt. LCLS-II ist der hellste Röntgenlaser der Welt und kann die Mikrostruktur und Dynamik von Kernfusionsplasmen beobachten und steuern. Dann gibt es Japan, das neben dem JT-60SA auch über die International Fusion Material Irradiation Experiment Facility IFMIF verfügt. Dabei handelt es sich ebenfalls um ein internationales Kooperationsprojekt, dessen Ziel die Erforschung und Entwicklung von für Kernfusionsreaktoren geeigneten Materialien ist. Dabei werden hochenergetische Neutronenstrahlen verwendet, um die Bestrahlungsumgebung von Kernfusionsreaktionen zu simulieren.

Natürlich gibt es neben den oben genannten großen Forschungsprojekten zur kontrollierten Kernfusion auch einige andere Länder und Organisationen auf der Welt, die entsprechende Forschung betreiben, wie etwa Deutschland, Großbritannien, Frankreich, Südkorea, Indien, Russland, Pakistan, Nordkorea, Israel usw. Man kann erkennen, dass die kontrollierte Kernfusion eine wissenschaftliche Erforschung mit enormem Potenzial und Herausforderungen ist. Um dies zu erreichen, bedarf es globaler Zusammenarbeit und Innovation. Ich hoffe, dass wir nicht noch weitere 50 Jahre warten müssen.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Gan Shudong

Gutachter: Sun Zhibin, Forscher, National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.