Wenn die künstliche Sonne meines Landes immer wieder Rekorde bricht, warum kann dann nicht durch kontrollierte Kernfusion eine Lampe zum Leuchten gebracht werden?

Zu Beginn dieses Jahres meldete das Experimentalgerät für künstliche Sonne der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Hefei eine weitere gute Nachricht: Es erreichte einen langpulsigen Hochparameterbetrieb für 1056 Sekunden, brach damit seinen eigenen Weltrekord, den es bereits mehrfach gebrochen hatte, und übernahm die weltweite Führung.

Bei der künstlichen Sonne handelt es sich nicht um eine künstlich geschaffene kleine Sonne zur Beleuchtung der Welt, sondern um eine Möglichkeit, den Energieerzeugungsmechanismus im Inneren der Sonne zu nutzen, um Energie auf der Erde zu erzeugen und zu nutzen. Der eigentliche wissenschaftliche Name lautet „kontrollierte Kernfusion“. Um diese Energie zu erhalten, die den Lauf der menschlichen Zivilisation verändern könnte, kämpft die Menschheit seit Jahrzehnten um jeden Preis.

Aber ich möchte hier ein wenig Wasser ins Feuer gießen: Bisher schien die Sonne jeden Tag hell auf das Sonnensystem, aber die künstliche kleine Sonne konnte keine Lampe zum Leuchten bringen.

Warum scheuen die Menschen keine Mühen, die kontrollierte Kernfusion zu erforschen?

Einstein entdeckte das Geheimnis der Masse-Energie-Gleichung vor 100 Jahren. Der Menschheit ist ein großer Durchbruch im Verständnis der Beziehung zwischen Masse und Energie von Materie gelungen. Wir wissen, dass Masse und Energie gleichwertig und austauschbar sind. Jede Substanz enthält enorme Energie. Solange die Energie freigesetzt werden kann, wird es weltbewegend sein.

Die Formel für die Masse-Energie-Gleichung lautet: E=MC^2. Dabei steht E für Energie, M für die Masse einer Substanz und C für die Lichtgeschwindigkeit. Die Bedeutung liegt darin, dass bei der Umwandlung von 1 kg (Kilogramm oder Kilogramm) Materie in Energie 9*10^16 J (Joule) Energie gewonnen werden können, was 25 Milliarden Kilowattstunden Strom entspricht.

Allerdings ist es sehr schwierig, die Energie in Materie umzuwandeln. Methoden wie die Verbrennung können nur auf der Ebene chemischer Reaktionen verbleiben und die Masse-Energie-Umwandlungsrate ist sehr gering. So entspricht beispielsweise die durch die Verbrennung von Kohle gewonnene Wärmeenergie lediglich einem Teil von 3 Milliarden der Masse-Energie-Umwandlungsrate, während sie bei der Verbrennung von Rohöl bei etwa einem Teil von 2,2 Milliarden liegt.

Die Kernfusion ist die Methode, mit der die Menschheit bislang die größte Masse-Energie-Umwandlung erreichen kann, mit einer Masse-Energie-Umwandlungsrate von etwa 0,7 %. Durch Kernfusion wird die unendliche Energiestrahlung aus dem Inneren der Sonne freigesetzt. Bei diesem Prozess verschmelzen vier Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern.

Das gesamte Atomgewicht von 4 Wasserstoffkernen beträgt 4,03136 und das Atomgewicht von 1 Heliumkern beträgt 4,0026. Wir können sehen, dass nach der Kernfusion das Atomgewicht um 0,0294 reduziert ist, was etwa 0,718 % des Atomgewichtsverlusts ausmacht. Auf diese Weise beträgt der Massenverlust von 1 Kilogramm Wasserstoff-Kernfusion 7,18 Gramm.

Wo ist die Qualität dieser Verluste geblieben? Nach Einsteins Theorie der Masse-Energie-Umwandlung werden diese Massen in Energie umgewandelt und abgestrahlt. Jede Sekunde sind in der Sonne 600 Millionen Tonnen Wasserstoff an der Kernfusion beteiligt, wobei etwa 4,3 Millionen Tonnen Masseverlust in Energie umgewandelt und in den Weltraum abgestrahlt werden. Diese Energie beträgt 3,87*10^26J, was 100 Billionen Kilowattstunden Strom entspricht.

Die Sonne brennt seit 5 Milliarden Jahren auf diese Weise und kann noch weitere 5 Milliarden Jahre weiterbrennen. Unsere Erde empfängt ein 2,2-Milliardstel der Sonnenenergie, was etwa 1,76*10^17 J/s Energie entspricht, also 49 Milliarden Kilowattstunden Strom pro Sekunde, also der gesamten Stromerzeugung von 10 Millionen Drei-Schluchten-Staudämmen. Diese Energie erscheint enorm, tatsächlich handelt es sich jedoch um die Energie, die aus weniger als 2 kg Materie umgewandelt wird.

Die enorme Energie, die bei der Kernfusion von Sternen freigesetzt wird, inspiriert den Menschen. Wenn es uns gelingt, diese Art der Energiegewinnung zu meistern, wird die Energiekrise in der Entwicklung der menschlichen Zivilisation vollständig gelindert. Da der Brennstoff für die solare Kernfusion Wasserstoff ist, ist Wasserstoff ein sehr häufiges Element auf der Erde und seine Reserven sind reichlich vorhanden.

Wasser besteht aus Wasserstoff und Sauerstoff. Die Meerwasserreserven der Erde belaufen sich auf 136 Billiarden Tonnen. Würde jeder Liter Wasserstoff im Meerwasser als Kernfusionsbrennstoff genutzt, entspräche die erzeugte Energie 300 Litern Benzin. Wenn es also gelingt, die von der Sonne genutzte Methode der Kernfusion auf der Erde erfolgreich zu erproben, wird es für die Menschheit über einen beträchtlichen Zeitraum keine Energiekrise geben und die menschliche Zivilisation wird in eine neue Phase rasanter Entwicklung eintreten.

Seit dem letzten Jahrhundert nutzen die Menschen die Energie der Kernfusion, die durch die Explosion einer Wasserstoffbombe entsteht. Doch die Explosion einer Wasserstoffbombe ist nur eine kurzzeitige Explosion und nützt, abgesehen von ihrem Einsatz in der Kriegsführung und zur Abschreckung, dem menschlichen Leben kaum etwas. Wie können wir diese Kraft kontrollieren und sie langsam freisetzen wie die Sonne? Dies ist die innere Motivation der Menschheit, keine Mühen zu scheuen, um die Technologie der kontrollierten Kernfusion zu erforschen und zu entwickeln.

Schwierigkeiten der kontrollierten Kernfusion

Die Sonne selbst ist ein riesiges kugelförmiges Hochtemperaturplasma. Dieses Plasma ist ein Prozess, bei dem aufgrund der Kernfusion im Kern kontinuierlich Energie freigesetzt, durch Strahlung und Konvektion an die Oberfläche übertragen und dann in den Weltraum abgegeben wird. Alle Sterne wie unsere Sonne erzeugen Energie durch denselben Mechanismus.

Alle Himmelskörper mit großer Masse werden durch die Schwerkraft in eine Kugelform gebracht und schrumpfen zum Kern hin kontinuierlich. Die Masse der Sonne beträgt etwa 2*10^30kg. Der zentripetale Kontraktionsdruck dieser riesigen Masse erzeugt im Kern der Sonne einen Druck von 300 Milliarden Atmosphären und eine hohe Temperatur von 15 Millionen Grad und zündet so die Kernfusion der Sonne, die weitergehen wird.

Der enorme Strahlungsdruck der Kernfusion widersteht dem durch die Masse verursachten Gravitationskontraktionsdruck und bildet ein Gleichgewicht. Dies ist das Hauptreihenstadium der Sonne, das etwa 10 Milliarden Jahre dauern kann. Die Kernfusion im Kern der Sonne läuft unter dem Einfluss eines enormen Gravitationskontraktionsdrucks weiter. Diese Art der Kernfusionseinschließung wird als Schwerkrafteinschließung bezeichnet.

Es ist diese Kombination aus enormem Druck und hoher Temperatur, die den Wasserstoffatomen im Kern der Sonne ihre äußeren Elektronen entzieht und so ihre Kerne freilegt. Die kontinuierliche Kollision und Fusion von Kernen führt zu einer kontinuierlichen Kernfusion. Wenn man die Kernfusion der Sonne auf der Erde nachahmen möchte, kann man keinen so großen Druck erzeugen. Der größte Druck auf der Erde herrscht in ihrem Kern, wo der Druck nur 3,6 Millionen Atmosphären beträgt, was nur etwa einem Hunderttausendstel des Drucks im Kern der Sonne entspricht. Wie kann Wasserstoff seinen Atomkern freilegen?

Nur durch eine Temperaturerhöhung, also eine Erhöhung der Reaktionstemperatur auf 100 Millionen Grad Celsius, können die Elektronen außerhalb des Wasserstoffkerns herausgelöst werden und es kommt zu einer kontinuierlichen Fusion der Wasserstoffkerne. Dies wirft mehrere schwierige Probleme auf: Erstens, wie man eine so hohe Temperatur erreicht; zweitens, welche Art von Behälter soll verwendet werden, um diese Flamme (Plasma) mit ultrahoher Temperatur einzudämmen und einzuschließen; und drittens, wie man diese hohen Temperaturen zur Stromerzeugung nutzen kann.

Sie sollten wissen, dass die höchste Temperatur, die alle Substanzen auf unserer Erde aushalten können, nur wenige tausend Grad beträgt. Das Metall, das nachweislich die höchste Temperatur aushält, ist Wolfram mit einem Schmelzpunkt von 3410 °C. Die Legierung, die den höchsten Temperaturen standhält, ist die Hafniumlegierung mit einem Schmelzpunkt von 4215 °C. 100 Millionen °C sind 23.000 Mal der Schmelzpunkt einer Hafniumlegierung.

Die Sonne ist auf die Schwerkraft angewiesen, um die hohen Temperaturen von Kernfusionsreaktionen in einem Radius von 1/4 zu komprimieren. Wie kann die Erde die hohe Temperatur von 100 Millionen Grad Kernfusion in einem Behälter kontrollieren? Keines der 118 entdeckten Elemente ist dazu in der Lage, daher haben Wissenschaftler nach wiederholten Experimenten und Forschungen eine nicht-materielle Methode gefunden, nämlich die magnetische Einschließung und Trägheitseinschließung.

Heutzutage wird häufig die magnetische Einschließung verwendet (über die Trägheitseinschließung sprechen wir heute nicht).

Der sogenannte magnetische Einschluss entsteht dadurch, dass das Plasma geladen ist und mit dem Magnetfeld interagiert. Wissenschaftler nutzen dieses physikalische Prinzip, um mithilfe von Energie eine Magnetfeldfalle zu erzeugen, die Hochtemperaturplasma in einer durch das Magnetfeld gebildeten kreisförmigen Falle einschließt. Dies ist wie ein Käfig ohne seitliche Stützen, sodass das durch Kernfusion entstehende Hochtemperaturplasma in diesem Käfig verbleiben kann, ohne irgendwelche Teile oder Innenwände der Anlage zu berühren.

Dies ist jedoch schwierig zu erreichen, insbesondere das Einschließen dieses Hochtemperaturplasmas über einen längeren Zeitraum. Die sogenannte Anzahl der Sekunden, die eingeschränkt sind, bezieht sich auf die kontinuierliche Verbesserung und den Durchbruch dieser Experimente.

Allerdings bedeutet die Fähigkeit, Hochtemperaturplasma zu erzeugen und einzuschließen, nicht, dass die Energie der Kernfusion genutzt wird. Dies ist nur der erste Schritt auf einer langen Reise. Da zum Erzeugen hoher Temperaturen für die Kernfusion große Energiemengen und zum Einschließen des Hochtemperaturplasmas eine magnetische Falle erforderlich sind, ist es immer noch eine schwierige Aufgabe, die Ausgangsenergie größer als die Eingangsenergie zu machen und die eingeschlossene Kernfusionsenergie zur Stromerzeugung zu nutzen.

Welche Indikatoren verhelfen China zu einer Spitzenposition in der Welt?

Chinas Forschungseinrichtung für Kernfusion befindet sich in Hefei und ihr offizieller Name lautet „Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences“. Es handelt sich hier um ein Gerät mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten Chinas, genannt Experimental Non-Circular-Section All-Superconducting Tokamak, abgekürzt EAST, das derzeit weltweit führend ist.

Dieses Gerät hat drei Hauptziele erreicht: 1 Megaampere Plasmastrom, 100 Millionen Grad Hochtemperaturplasma und 1000 Sekunden Betriebszeit.

Die schrittweise erzielten Ergebnisse sind: Im Jahr 2012 wurde für 411 Sekunden ein hochparametriges Divertorplasma bei 20 Millionen °C erreicht; Im Jahr 2017 wurde ein stationäres, lang gepulstes Hocheinschlussplasma erreicht, das 101,2 Sekunden lang bei 50 Millionen °C betrieben wurde. 2018 erreichte die Elektronentemperatur im Zentrum des Plasmas erstmals 100 Millionen °C; Im Jahr 2020 wurde der Betrieb 10 Sekunden lang bei einer hohen Temperatur von 100 Millionen °C aufrechterhalten. In der ersten Hälfte des Jahres 2021 wird diese Zeit auf 101 Sekunden verlängert und die Temperatur auf 120 Millionen °C erhöht.

Am 30. Dezember 2021, also vor gerade einmal zwei Tagen, wurde erreicht, dass es unter langgepulsten, hochparametrischen Plasmabedingungen von fast 70 Millionen Grad Celsius 1056 Sekunden lang in Betrieb blieb und die eingespeiste Energie 1,73 Gigajoule erreichte. Bisher hat sich EAST insgesamt mehr als 100.000 Mal entladen und dabei die drei wichtigsten wissenschaftlichen Bedingungen erreicht: 1 Megaampere Plasmastrom, 100 Millionen Grad Celsius Hochtemperatur-Plasmaeinschluss und 1.000 Sekunden Betriebszeit.

Den einschlägigen Parteien zufolge wurden mit dem Experiment drei wichtige wissenschaftliche Probleme gelöst: ein völlig induktionsfreier Stromantrieb, Recycling und Verunreinigungskontrolle sowie Wärme- und Partikelentladung. Dies sind alles sehr professionelle Begriffe. Da es sich um eine allgemeine Popularisierung der Wissenschaft handelt, werden wir nicht ins Detail gehen.

An den kontinuierlichen Durchbrüchen meines Landes auf dem Gebiet der kontrollierten Kernfusionsforschung können wir das Wachstum der wissenschaftlichen und technologischen Stärke Chinas erkennen und auch die Schwierigkeit der kontrollierten Kernfusionsforschung verstehen: Derzeit wird der gesamte Fortschritt noch in „Sekunden“ berechnet, und es ist in Zukunft noch ein langer Weg.

Die Verbesserung des Output-Energie-Verhältnisses ist die größte Schwierigkeit und der Schwerpunkt, der durchbrochen werden muss

Basierend auf dem Durchbruch bei der wirksamen Einschließung von Kernfusionsplasma wird die Frage, wie die Energie der Kernfusion aus der Magnetfalle abgeleitet und für zivile Zwecke genutzt werden kann, die Schwierigkeit und der Schwerpunkt künftiger Forschungen zur kontrollierten Kernfusion sein.

Der wichtigste Indikator unter ihnen ist das Verhältnis von Eingangsenergie zu Ausgangsenergie, das als Q-Wert bezeichnet wird. Es gibt zwei Arten von Q-Wert-Indikatoren. Eine davon ist QP, das sich auf das Verhältnis der für die Zündung erforderlichen Energie zur Ausgangsenergie bezieht; der andere ist QT, das sich auf das Verhältnis der Eingangsenergie zur Ausgangsenergie des gesamten Geräts bezieht. Der Unterschied zwischen diesen beiden Verhältnissen ist sehr groß.

Beispielsweise beträgt im Experiment die gesamte Eingangsenergie 400 MW, die für die Zündung verwendete Energie beträgt nur 50 MW und die Ausgangsenergie beträgt 250 MW. Auf diese Weise beträgt der QP-Wert Q=5, was darauf hinweist, dass die Ausgangsenergie das Fünffache der Eingangsenergie beträgt, was gut erscheint. Der tatsächliche QT-Wert beträgt jedoch nur 0,625 und der Energieeinsatz ist immer noch größer als der Energieeinsatz, was keinen kommerziellen Wert hat.

Einige experimentelle Daten geben den QP-Wert und den QT-Wert nicht preis, daher ist nicht bekannt, welches Niveau sie erreicht haben. Zu den kontrollierten Kernfusionsexperimenten mit relativ hohen Q-Werten weltweit gehört nach einigen verfügbaren Informationen das britische JET mit einem Q-Wert von ≈ 0,67. Der Q-Wert des japanischen JT-60-Experiments erreicht theoretisch 1,25, es handelt sich jedoch angeblich nur um einen theoretischen Wert, der in der Praxis nur schwer zu erreichen ist. Später wurde auch JT-60 demontiert.

Gemäß dem von meinem Land veröffentlichten Entwicklungsplan für die Kernfusion im Magnetfeld ist geplant, im Jahr 2025 ein stationäres Langpulsplasma mit einer Dauer von 3.000 Sekunden und einem Q-Wert von 5 zu erreichen. Erreichen einer stationären Plasmaverbrennung mit einem Q-Wert > 10 im Jahr 2030; und im Jahr 2050 eine netzgekoppelte Stromerzeugung zu erreichen. Es ist nicht angegeben, auf welche Art von Q-Wert sich dieser erwartete Q-Wert bezieht.

Einige Studien gehen davon aus, dass der Q-Wert aufgrund der großen Leistungsverluste bei der Ausgabe, Übertragung und Umwandlung kontrollierter Kernfusionsenergie im Allgemeinen 30 erreichen muss, um einen kommerziellen Wert zu haben. Gleichzeitig müssen ein vollständiger Tritiumkreislauf und qualifizierte strahlungsresistente Materialien vorhanden sein. Diese Untersuchungen werden noch einige Zeit in Anspruch nehmen.

Daraus lässt sich erkennen, dass die Forschung zur kontrollierten Kernfusion noch immer „eine lange und beschwerliche Reise ist, aber ich werde sie weiter erforschen.“ Doch chinesische Wissenschaftler sind voller Zuversicht. Sie haben nur ein Ziel: die erste Lampe der Kernfusionsenergie in China anzuzünden.

Freuen wir uns darauf. Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

Das Urheberrecht von Space-Time Communication liegt beim Original. Urheberrechtsverletzungen und Plagiate sind unethisches Verhalten. Bitte haben Sie Verständnis und kooperieren Sie.