Das kontrollierte Kernfusionsexperiment in Großbritannien erreichte 59 Megajoule in 5 Sekunden. Wie weit ist es davon entfernt, der Menschheit zu nützen?

Laut einer am 9. Februar veröffentlichten Meldung einiger Medien erzeugte das britische Atomenergieforschungsinstitut bei einem im Dezember 2021 durchgeführten Experiment zur Stromerzeugung durch Kernfusion innerhalb von fünf Sekunden 59 Megajoule Energie und brach damit den bisherigen Rekord von etwa 22 Megajoule Fusionsenergie, der mit dieser Anlage im Jahr 1997 aufgestellt worden war. Dies ist der aktuellste Energieweltrekord.

Das Experiment wurde im weltweit größten Kernfusionsreaktor durchgeführt, der allgemein als Joint European Torus bekannt ist. Bei diesem Gerät handelt es sich um ein Carmack-Gerät, ein magnetisches Einschlussgerät, und sein vollständiger Name lautet Joint European Torus Reactor (kurz JET). Der Durchbruch dieses Experiments zeigt, dass der Prozess der Förderung der Kernfusion, einer nahezu unendlichen und sauberen Energiequelle, für die zivile Nutzung einen großen Schritt vorangekommen ist.

Wird die kontrollierte Kernfusion der menschlichen Gesellschaft also bald Vorteile bringen?

Wir können optimistisch sein und uns darauf freuen, aber bis es wirklich zur zivilen Stromerzeugung gefördert werden kann, ist es noch ein langer Weg.

Die in einigen Berichten enthaltenen Daten scheinen nicht streng und genau genug zu sein, was die Menschen in die Irre geführt und zu blindem Optimismus geführt hat. In einem Bericht hieß es beispielsweise: „Angeblich haben die Wissenschaftler in diesem Labor 11 Megawatt Energie gewonnen, genug, um 10.000 Haushalte zu versorgen.“

Dies ist unverständlich und übertrieben und steht im Widerspruch zu den Nachrichten, die das britische Atomenergieforschungsinstitut am 9. Februar veröffentlichte. Einer offiziellen Mitteilung des britischen Atomenergieforschungsinstituts zufolge erzeugte das Kernfusionsexperiment JET in 5 Sekunden 59 Megajoule anhaltende Energie. Wir können es als die kumulierte Energie verstehen, die innerhalb von 5 Sekunden gewonnen wird, oder wir können es uns als die maximale Energieabgabe in einem bestimmten Zeitraum innerhalb von 5 Sekunden vorstellen.

Aber im Allgemeinen wird die Energieeinheit Joule in Sekunden gemessen. Daraus lässt sich schließen, dass die durch das JET-Fusionsexperiment gewonnene Energie 59 MJ (Megajoule)/s (Sekunde) beträgt und diese Energie 5 Sekunden lang anhält. Die Einheit zur Stromerzeugung ist im Allgemeinen kW/h (Kilowattstunde). 1 kW/h ist das, was wir üblicherweise als 1 Kilowattstunde Strom bezeichnen. Jede Kilowattstunde entspricht 3,6 Megajoule Energie, also entsprechen 59 Megajoule etwa 16,39 Kilowattstunden.

Basierend auf der Berechnung, dass 0,2 kWh Strom benötigt werden, um 1 Liter Wasser zum Kochen zu bringen, können 16,39 kWh Strom etwa 82 Liter Wasser zum Kochen bringen. Basierend auf der Berechnung, dass jeder Mensch 2 Liter Wasser pro Tag trinkt, können 164 Menschen einen Tag lang mit abgekochtem Wasser versorgt werden. Natürlich handelt es sich hierbei nur um die pro Sekunde erzeugte Energie. Bei einer Umwandlung von 100 % dieser Energie in Strom beträgt die Energiemenge 16,39 kWh pro Sekunde, in 1 Stunde können etwa 59.000 kWh Strom erzeugt werden, in 24 Stunden am Tag sind es 1,416 Millionen kWh Strom.

In einem durchschnittlichen Haushalt werden für die Nutzung einer Klimaanlage etwa 20 kWh Strom benötigt. Wenn dies der durchschnittliche Stromverbrauch pro Haushalt ist, können 1,416 Millionen kWh Strom mehr als 70.000 normale Haushalte versorgen.

Die Angabe, dass 10.000 Haushalte versorgt werden können, scheint noch sehr konservativ zu sein. Das Problem besteht jedoch darin, dass diese Energie nachhaltig sein und kontinuierlich Strom erzeugen muss, bevor sie für zivile Zwecke genutzt werden kann. Der aktuelle Versuchsvorgang kann jedoch nur 5 Sekunden dauern. Bei einer Umwandlung der gesamten Energie in Energie pro Sekunde können 16,39 kWh Strom gewonnen werden. In 5 Sekunden können lediglich 81,95 kWh Strom gewonnen werden, was lediglich dem Tagesverbrauch von 4 Haushalten entspricht.

Die Ergebnisse dieses Experiments stellen zweifellos einen bedeutenden Durchbruch dar, doch kann man nur sagen, dass die kontrollierte Kernfusion sich wie das Auspressen von Zahnpasta nur Stück für Stück weiterentwickelt und von einer echten zivilen Nutzung noch weit entfernt ist.

Mehrere große Schwierigkeiten bei der kontrollierten Kernfusion

Bei der kontrollierten Kernfusion wird der Kernfusionsprozess im Inneren der Sonne nachgeahmt, weshalb man im Volksmund auch von einer „künstlichen kleinen Sonne“ spricht. Auf der Erde gibt es keine Möglichkeit, den ultrahohen Druck von 300 Milliarden Atmosphären im Kern der Sonne zu erzeugen. Um diesen Mangel auszugleichen, muss die Temperatur von 15 Millionen Grad Celsius im Kern der Sonne auf über 100 Millionen Grad Celsius erhöht werden, damit die Kernfusion autonom und nachhaltig ablaufen kann.

Wir wissen, dass kein Gegenstand auf der Erde einer hohen Temperatur von 10.000 Grad standhalten kann, geschweige denn 10.000 10.000 Grad, also 100 Millionen Grad. Da es keinen Behälter gibt, der solche Hochtemperaturverbindungen aufnehmen kann, können die Wissenschaftler nur eine physikalische Lösung finden. Nach jahrelanger Erforschung wurden drei Einschränkungen gefunden, nämlich die Schwerkraftbeschränkung, die magnetische Einschränkung und die Trägheitsbeschränkung. Die solare Kernfusion beruht auf der Gravitationseinschließung, die auf der Erde nicht reproduziert werden kann. Daher können wir nur die beiden letztgenannten Einschließungsmethoden verwenden.

Heute sprechen wir nicht über Trägheitseinschluss, sondern lediglich über magnetischen Einschluss, der in verschiedenen Ländern bei Experimenten am häufigsten verwendet wird. Da die an der Kernfusion beteiligten Atomkerne positiv geladen sind, werden sie durch das Magnetfeld gesteuert. Solange das Magnetfeld stark genug ist, bewegen sich diese Plasmen spiralförmig entlang der magnetischen Kraftlinien, als wären sie in einer Falle gefangen. Daher wird es auch als magnetische Falle oder magnetischer Einschluss bezeichnet.

Magnetische Einschließung ist eine physikalische Methode, die dieses Plasma mit extrem hoher Temperatur in einer magnetischen Falle im Inneren eines Geräts einschließt, ohne dass es mit der Innenwand des Geräts oder irgendwelchen Komponenten in Berührung kommt. Das ausgereifteste magnetische Einschlussgerät ist heute das Tokamak-Gerät, das ursprünglich von Wissenschaftlern aus der ehemaligen Sowjetunion erfunden wurde. Viele Länder auf der ganzen Welt verfügen über ihre eigenen verbesserten Tokamak-Anlagen, denen es allen gelungen ist, Plasma einzuschließen, allerdings variiert die Einschlusszeit.

China nimmt in dieser Hinsicht weltweit eine Vorreiterrolle ein. Die vollständig supraleitende Tokamak-Kernfusions-Experimentieranlage (EAST), die sich im Besitz der Chinesischen Akademie der Wissenschaften befindet, über unabhängige Rechte am geistigen Eigentum verfügt und sich in Hefei befindet, stellte im Experiment 2021 Weltrekorde im Dauerbetrieb eines Plasmas von 70 Millionen Grad Celsius für 1056 Sekunden, von 120 Millionen Grad für 101 Sekunden und von 160 Millionen Grad für 20 Sekunden auf.

Wie lässt sich ein solcher Weltrekord, bei dem die stationäre Verbrennung der Kernfusion nur in Sekunden gemessen wird, in die Praxis umsetzen? Noch wichtiger ist jedoch, dass die Probleme der Energiezufuhr und -abgabe gelöst werden müssen, damit die Kernfusionsenergie wirklich funktioniert.

In einem Tokamak-Gerät ist ein großer Energieeinsatz erforderlich, um ein Magnetfeld zum Einschluss des Plasmas zu erzeugen, das Fusionsmaterial auf 100 Millionen Grad Celsius zu erhitzen und eine stationäre Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. Der zweite und wichtigste Schritt zur Lösung des Beschränkungsproblems besteht darin, die durch Kernfusion erzeugte Energie deutlich über die Eingangsenergie zu steigern und die überschüssige Energie zur Erzeugung von sozialem Nutzen in Elektrizität umzuwandeln.

Nun ist der erste Schritt nur der Anfang und der zweite Schritt wird noch mühsamer.

Wie lange ist es noch, bis die kontrollierte Kernfusion kommerziell nutzbar wird?

Wenn das Kernfusionsplasma einen stabilen Kettenbetrieb aufrechterhalten und enorme Energie erzeugen kann, verbleibt im Gerät eine kleine Energiemenge, um die Kernfusionskettenreaktion aufrechtzuerhalten. Es muss mehr Energie aus dem Gerät abgegeben und in Elektrizität umgewandelt werden. Die grundlegende Methode zur Umwandlung von thermischer Energie aus der Kernfusion in elektrische Energie besteht darin, in einem geeigneten Abstand außerhalb des kreisförmigen Magnetfelds ein Wärmeaustauschgerät zu installieren, die Energie im Reaktionskörper in Form von Wärmestrahlung auf das Wärmeaustauschgerät zu übertragen und dann die inzwischen ausgereifte Methode zur Umwandlung der thermischen Energie in elektrische Energie zu verwenden.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft führt seit Jahrzehnten Experimente zu diesem Schritt durch, von negativer Ausgabe bis Nullausgabe, wobei schrittweise ein Gleichgewicht zwischen Eingabe und Ausgabe erreicht wird (Q-Wert ist 0) und dann die Ausgabeleistung schrittweise erhöht wird (Q-Wert > 0). Die vom britischen JET in 5 Sekunden erreichten 59 MJ sind bereits die höchsten, aber wie hoch ist der Q-Wert? Keine Angaben.

Es gibt zwei Arten von Q-Werten. Einer wird QP-Wert genannt und ist das Verhältnis von Zündenergie zu Ausgangsenergie. Der andere ist der QT-Wert, der sich auf das Verhältnis der gesamten Eingangsenergie zur Ausgangsenergie bezieht. Die beiden Q-Werte sind sehr unterschiedlich. Wenn die gesamte Eingangsenergie des Experiments 400 MW beträgt, beträgt die für die Zündung verwendete Energie nur 50 MW und die Ausgangsenergie 300 MW.

Wenn sich der Q-Wert auf QP bezieht, dann ist Q=6, was bedeutet, dass die Ausgangsenergie das Sechsfache der Eingangsenergie beträgt. wenn es sich auf QT bezieht, dann ist Q = 0,75, was bedeutet, dass die Ausgangsenergie das 0,75-fache der Eingangsenergie beträgt, was immer noch eine negative Ausgangsenergie ist und keinen kommerziellen Wert hat.

Daher können einige experimentell ermittelte Parameter, die nur die Ausgangsleistung angeben, das Problem nicht erklären. Wie hoch ist der Q-Wert der britischen JET-Versuchsdaten von 59 MJ in 5 Sekunden? Für die veröffentlichten Nachrichten wird kein Q-Wert-Parameter bereitgestellt, sodass der kommerzielle Wert nicht gemessen werden kann. Chinas höchste Q-Werte von 70 Millionen Grad Celsius für 1.056 Sekunden und 120 Millionen Grad Celsius für 101 Sekunden wurden nicht bekannt gegeben.

Das langfristige Ziel meines Landes für die kontrollierte Kernfusion lautet: Bis 2025 wird im Experiment der ersten Phase eine stationäre Plasmaverbrennung von 500 MW (Megawatt) für 400 Sekunden erreicht, und im Experiment der zweiten Phase wird eine stationäre Plasma-Langpulsverbrennung von 350 MW für 3000 Sekunden erreicht; bis 2030 wird das Experiment der ersten Phase 200 MW, 10 dpa erreichen (das Ausmaß der Strahlenschäden wird hier nicht erläutert), und das Experiment der zweiten Phase wird 1 GW (Gigawatt, 1 GW = 1000 MW), 50 dpa erreichen; Das Ziel für 2050 besteht darin, eine an das Netz angeschlossene Stromerzeugungskapazität von 1 GW zu erreichen.

Unter diesen Zielen gibt es keine Q-Wert-Anforderung für das Ziel 2025, und die Q-Wert-Anforderung für 2030 ist letztendlich größer als 10. Diese Q-Werte geben jedoch nicht an, ob es sich um QP oder QT handelt. QP hat keinen kommerziellen Wertbezug, daher verstehen wir es als QT-Wert. Selbst wenn diese Ziele erfolgreich umgesetzt werden, wird es noch 30 Jahre dauern, bis die Stromerzeugung durch Kernfusion kommerziell verfügbar wird.

Das ist China-Geschwindigkeit. Was ist also schneller, China oder das Ausland? Warten wir es ab. Was denken Sie? 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.