Wir haben bereits eine Sonne, warum müssen wir also noch an der „künstlichen Sonne“ forschen?丨Technologie eines großen Landes

Rezensionsexperte: Gan Qiang, Dozent am Beijing Institute of Technology, PhD in Angewandter Chemie

Die „künstliche Sonne“ brach erneut den Rekord, das im Inland produzierte große Passagierflugzeug C919 nahm seinen kommerziellen Betrieb auf, in den Salz- und Alkaligebieten Xinjiangs gab es eine Rekordernte an Meeresfrüchten, der medizinische Schwerionenbeschleuniger wurde in die klinische Anwendung eingeführt, das erste im Inland produzierte große Kreuzfahrtschiff „AIDA Magic City“ schloss seine Seeerprobung erfolgreich ab und das tiefste unterirdische Labor der Welt wartete auf „Besuch“ der dunklen Materie … Im Jahr 2023 erzielten die Wissenschaft und Technologie meines Landes weiterhin neue Durchbrüche und eröffneten dem menschlichen Leben und der menschlichen Entwicklung neue Möglichkeiten und Chancen.

Anlässlich des 74. Jahrestages der Gründung der Volksrepublik China bietet Ihnen das Digital Beijing Science Center eine Sonderkolumne mit dem Titel „Wissenschaft und Technologie im Stil der Großmächte“, in der wir einen Überblick über die wissenschaftlichen und technologischen Errungenschaften geben, die in diesem Jahr unter der Führung der Partei erzielt wurden.

Am 25. August 2023 gab das Southwest Institute of Physics der China National Nuclear Corporation bekannt, dass die neue Generation der „künstlichen Sonne“ „China Tokamak Nr. 3“ (HL-2M) erstmals einen Betrieb im High-Confinement-Modus bei einem Plasmastrom von 1 Million Ampere erreicht hat. Es basiert auf der Kernfusionsreaktion im Inneren der Sonne und kann nach der Reaktion enorme Energie freisetzen.

CAD-Zeichnung von Chinas Circulation 3 Quelle: Wikipedia

Dieser Durchbruch ist ein Spiegelbild der umfassenden Leistungsfähigkeit der Kernfusionsanlage und ein wichtiger Meilenstein im Entwicklungsprozess der Kernfusionsenergie meines Landes. Anfang November 2022 gab das Institute of West China Physics bekannt, dass der Plasmastrom des HL-2M erstmals 1 Million Ampere überschritten habe. Welche Bedeutung hat der diesmal erreichte „High-Constraint-Mode-Betrieb“?

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Welchen Forschungswert und welches Funktionsprinzip hat die „Künstliche Sonne“?

Bei der „künstlichen Sonne“ handelt es sich eigentlich um einen groß angelegten thermonuklearen Fusionsreaktor, dessen Kerntechnologie die Kernfusionstechnologie ist. Bei der Kernfusion handelt es sich um einen Prozess, bei dem leichte Elemente (wie Wasserstoff) unter hohen Temperaturen und hohem Druck zu schweren Elementen (wie Helium) verschmolzen werden, wobei durch Fusionsreaktionen enorme Energiemengen freigesetzt werden . Diese Form der Energiefreisetzung durch künstliche Fusionsreaktionen ist der Kernfusionsreaktion, die in der Sternsonne stattfindet, sehr ähnlich und wird daher auch „künstliche Sonne“ genannt.

Deuterium-Tritium-Kernfusionsreaktion erzeugt Helium und Neutronen Quelle: Wikipedia

Die Bedingungen für die Kernfusion sind äußerst hart. In der Sonne findet der Kernfusionsprozess bei extrem hohen Temperaturen (Millionen Grad Celsius) und extrem hohem Druck statt, die beide unerlässlich sind. Wissenschaftler verwenden starke Magnetfelder und Plasma, um diese Bedingungen auf der Erde zu simulieren.

Plasma ist ein Hochtemperatur-Gaszustand, der normalerweise aus Wasserstoffisotopen (wie Deuterium und Tritium) besteht. Es handelt sich um eine ionisierte gasförmige Substanz aus positiven und negativen Ionen, die entsteht, wenn einige Atome und Atomgruppen ionisiert werden und ihnen die Elektronen entzogen werden. Mithilfe von Magnetfeldern steuern die Wissenschaftler die Bewegung des geladenen Plasmas und verhindern so, dass es mit der Behälterhülle in Berührung kommt, was schwerwiegende Folgen hätte, beispielsweise eine Beschädigung des Geräts.

Um das Plasma auf die erforderlichen hohen Temperaturen zu bringen, verwenden Wissenschaftler verschiedene Heizsysteme wie Laser, Mikrowellen oder Hochfrequenzheizungen . Wenn das Plasma eine ausreichend hohe Temperatur und einen ausreichend hohen Druck erreicht, beginnen Kernfusionsreaktionen. Bei diesem Prozess werden Wasserstoffisotopenkerne zu schwereren Elementen verschmolzen (normalerweise eine Deuterium-Tritium-Reaktion). Dabei entstehen Helium und Neutronen und es werden enorme Energiemengen freigesetzt.
Sobald eine Kernfusion stattfindet, muss die freigesetzte Energie eingefangen und genutzt werden. Diese Energie wird durch Wärmeaustauschgeräte rund um die Reaktionskammer in elektrische Energie umgewandelt.

Obwohl bislang noch kein kommerzielles, kontrolliertes Kernfusionskraftwerk gebaut wurde, wird die Verwirklichung dieses Ziels durch internationale Kooperationsprojekte wie den Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktor (ITER) aktiv vorangetrieben.

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Forschungsfortschritt „Künstliche Sonne“

„International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) Project“ ist der offizielle Name der „künstlichen Sonne“. Es handelt sich um eines der weltweit größten und weitreichendsten internationalen wissenschaftlichen Forschungskooperationsprojekte. Bei der ITER-Anlage handelt es sich um eine supraleitende Fusionsanlage mit magnetischem Einschluss, auch „Tokamak“ genannt, die für groß angelegte Kernfusionsreaktionen eingesetzt werden kann. China trat im Januar 2003 offiziell den Verhandlungen zum ITER-Projekt bei. Im Mai 2006 unterzeichnete das chinesische gemeinsame ITER-Verhandlungsteam ein Kooperationsabkommen mit sechs Parteien, darunter der Europäischen Union und Indien. Im Jahr 2006 entwarf und entwickelte China im Alleingang die weltweit erste vollständig supraleitende Fusionsanlage mit magnetischem Einschluss, die 2007 die nationale Zulassung erhielt.

Die Entscheidung meines Landes, sich am ITER-Projekt zu beteiligen, dient nicht nur der Verbesserung des Niveaus der physikalischen Grundlagenforschung des Landes, sondern auch der Berücksichtigung des langfristigen Energiebedarfs und der Umweltbedingungen, um die Fähigkeit zur Entwicklung effizienter und sauberer Energie für die Zukunft sicherzustellen und die nachhaltige Entwicklung der chinesischen Gesellschaft zu sichern.

Kleines Modell der Tokamak-Anlage von ITER Quelle: Wikipedia

Am 28. Juli 2020 fand am Hauptsitz des Unternehmens in Frankreich die große Eröffnungszeremonie des Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktors (ITER) statt.

Am 28. Dezember 2020 stellte Südkoreas fortschrittliche supraleitende Tokamak-Forschung einen neuen Weltrekord auf. Die supraleitende Fusionsanlage mit magnetischem Einschluss konnte das Plasma bis zu 20 Sekunden lang erfolgreich auf einer hohen Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius halten.

Am 28. Mai dieses Jahres um 3:02 Uhr morgens erreichte die vollständig supraleitende Fusionsanlage mit magnetischem Einschluss „China Toroidal 3“, nach 40 Jahren harter Arbeit chinesischer Forscher, einen Plasmabetrieb von 101 Sekunden bei einer extrem hohen Temperatur von 120 Millionen Grad Celsius . Selbst nachdem die Temperatur auf erschreckende 160 Millionen Grad Celsius erhöht wurde, kann das Fusionsgerät noch 20 Sekunden lang bei Raumtemperatur betrieben werden. Dies ist ein großer wissenschaftlicher und technologischer Fortschritt meines Landes auf dem Gebiet der kontrollierten Kernfusion und ein wichtiger Schritt vorwärts in der weltweiten wissenschaftlichen Forschung und Technik.

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Zukünftige Chancen und Herausforderungen

Die in der „künstlichen Sonne“ eingesetzte Technologie der kontrollierten Kernfusion stellt eine große Herausforderung auf dem Gebiet der Grundlagenphysik dar. Die Erforschung und Anwendung der Kernfusion ist eine enorme und komplexe wissenschaftliche und technische Herausforderung. Auf der ganzen Welt arbeiten Tausende von Wissenschaftlern und Ingenieuren Tag und Nacht zusammen, um die Geheimnisse zu erforschen. Sie erforschen seit Jahrzehnten die Kerntechnologie der kontrollierten Kernfusion und verbrauchen dabei enorme materielle und personelle Ressourcen. Allerdings gibt es bei der heutigen kontrollierten Kernfusion noch einige Lücken und Schwierigkeiten, die geschlossen werden müssen.

① Riesiger Strombedarf und -verlust

Um das Hochtemperaturplasma in der „künstlichen Sonne“ zu kontrollieren, ist ein riesiges Magnetfeld erforderlich. Am Beispiel des Internationalen Thermonuklearen Reaktors (IETR) beträgt die Magnetfeldstärke bis zu 130.000 Gauß. Um ein Magnetfeld dieser Stärke aufrechtzuerhalten, muss ein enormer Strom durch den Leiter geleitet werden. Aufgrund des vorhandenen Widerstands erwärmt sich der Leiter sehr stark, was zu einem enormen Energieverlust führt. Die meisten der aktuellen supraleitenden Materialien erfordern eine Umgebung mit hohem Druck und niedriger Temperatur, wodurch eine „künstliche Sonne“ wie „Eis und Feuer“ erscheint, was sehr schwer zu erreichen ist.

Schwebendes supraleitendes Material Quelle: Wikipedia

② Bilanz von Energiezufuhr und -abgabe

Bei der kontrollierten Kernfusion muss sichergestellt werden, dass die zugeführte Energie größer oder gleich der abgegebenen Energie ist, um den Kernfusionsprozess aufrechtzuerhalten. Dies wird auch als „Lawson-Kriterium“ bezeichnet. Dies erfordert von den Ingenieuren, die erzeugte Energie zu sammeln und umzuwandeln und gleichzeitig große Mengen Energie in die Erwärmung des Plasmas zu investieren.

③Materialtoleranz

Derzeit können die durch das Plasma erzeugten hochenergetischen Neutronen die Hülle und andere Materialien beschädigen. Daher müssen Materialwissenschaftler weiterhin neue Materialien entwickeln, um ihre Strahlungstoleranz zu verbessern, damit Reaktoren über lange Zeit stabil betrieben werden können.

④Kontrollplasma

Plasma ist ein höchst instabiler Zustand und die Temperatur und der Druck im Inneren sind nicht gleichmäßig im Raum verteilt, was das Plasma sehr instabil macht. Wissenschaftler arbeiten an robusteren Methoden zur präzisen Steuerung, um ein Abdriften, Verdrehen oder eine Instabilität des Magnetfelds zu verhindern.

⑤ Großfonds

Um kontrollierte Kernfusionsforschung betreiben zu können, ist der Bau riesiger Labore wie etwa des Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktors (ITER) erforderlich, der enorme finanzielle Mittel und internationale Zusammenarbeit erfordert. Diese wurden gebaut, um komplexe Geräte und groß angelegte Experimente zur Simulation von Kernfusionsreaktionen unterzubringen.

Die Fusionsenergie bietet zahlreiche Vorteile, darunter endlose Rohstoffe, keinerlei Umweltverschmutzung und keine Produktion hochradioaktiver Atommülls. Daher gilt sie als eine der wichtigsten Zukunftsperspektiven für die menschliche Energie. Die Erforschung der „künstlichen Sonne“ ist ein wichtiger Schritt der Menschheit auf der Suche nach neuen Energiequellen.

Trotz dieser Schwierigkeiten und Herausforderungen verbessern Wissenschaftler ihre Technologien und Geräte ständig und machen wichtige Schritte in Richtung einer kontrollierten Kernfusion. Es wird erwartet, dass wir in naher Zukunft weitere Durchbrüche erzielen und so mehr Möglichkeiten zur Lösung von Energieproblemen und zur Eindämmung des Klimawandels schaffen.