Seit Jahrhunderten haben Menschen davon geträumt die Kraft der Sonne nutzen um unser Leben hier auf der Erde anzuregen. Aber wir wollen über das Sammeln von Solarenergie hinausgehen und eines Tages unser eigenes aus einer Mini-Sonne erzeugen. Wenn wir in der Lage sind, eine extrem komplexe Reihe von wissenschaftlichen und technischen Problemen zu lösen, verspricht Fusionsenergie grüne, sichere, unbegrenzte Energiequelle. Von gerade ein Kilogramm Deuterium, das pro Tag aus Wasser gewonnen wird könnte genug Elektrizität kommen, um Hunderttausende von Häusern zu versorgen.

Seit den 1950s hat wissenschaftliche und technische Forschung generierte enorme Fortschritte dazu zwingen, Wasserstoffatome in einer sich selbst erhaltenden Reaktion miteinander zu verschmelzen - ebenso wie a kleine, aber nachweisbare Menge von Fusionsenergie. Skeptiker und Befürworter gleichermaßen Beachten Sie die zwei wichtigsten verbleibenden Herausforderungen: die Aufrechterhaltung der Reaktionen über lange Zeiträume und die Entwicklung einer materiellen Struktur zur Nutzung der Fusionsenergie für Strom.

Als Fusionsforscher am Princeton-Plasmaphysik-LaborWir wissen, dass das erste kommerzielle Fusionskraftwerk noch mindestens 25 Jahre entfernt ist. Aber das Potenzial für seine überdimensionierten Vorteile in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts bedeutet, dass wir weiter arbeiten müssen. Wichtige Demonstrationen der Machbarkeit der Fusion können früher durchgeführt werden - und müssen, damit Fusionsenergie in die Planung für unsere Energiezukunft einbezogen werden kann.

Im Gegensatz zu anderen Formen der Stromerzeugung, wie z. B. Solarenergie, Erdgas und Kernspaltung, kann die Fusion nicht im Kleinen entwickelt und dann einfach vergrößert werden. Die experimentellen Schritte sind groß und brauchen Zeit zum Aufbau. Aber das Problem der reichlich vorhandenen, sauberen Energie wird a Hauptberufung für die Menschheit für das nächste Jahrhundert und darüber hinaus. Es wäre tollkühn, diese vielversprechendsten Energiequellen nicht vollständig auszunutzen.

Warum Fusionskraft?

In der Fusion zwei Kerne des Wasserstoffatoms (Deuterium- und Tritiumisotope) zusammenschmelzen. Das ist relativ schwierig: Beide Kerne sind positiv geladen und stoßen sich daher ab. Nur wenn sie sich extrem schnell bewegen, kollidieren sie zusammen, verschmelzen und geben damit die Energie frei, nach der wir streben.

Dies geschieht natürlich in der Sonne. Hier auf der Erde nutzen wir starke Magnete, um ein extrem heißes Gas aus elektrisch geladenen Deuterium- und Tritiumkernen und Elektronen zu halten. Dieses heiße, geladene Gas wird Plasma genannt.

Das Plasma ist so heiß - mehr als XNUMM Millionen Grad Celsius -, dass sich die positiv geladenen Kerne schnell genug bewegen, um ihre elektrische Abstoßung und Verschmelzung zu überwinden. Wenn die Kerne verschmelzen, bilden sie zwei energetische Teilchen - ein Alphateilchen (der Kern des Heliumatoms) und ein Neutron.

Das Erhitzen des Plasmas auf eine solch hohe Temperatur erfordert eine große Menge an Energie - die in den Reaktor gegeben werden muss, bevor die Fusion beginnen kann. Aber sobald es in Gang gekommen ist, hat die Fusion das Potenzial, genug Energie zu erzeugen, um ihre eigene Wärme zu erhalten. Dadurch können wir überschüssige Wärme abführen, um in nutzbare Elektrizität umzuwandeln.

Brennstoff für die Fusionskraft ist reichlich in der Natur. Deuterium ist reichlich in Wasser und der Reaktor selbst kann Tritium aus Lithium herstellen. Und es steht allen Nationen zur Verfügung, meist unabhängig von lokalen Naturressourcen.

Fusionskraft ist sauber. Es emittiert keine Treibhausgase und produziert nur Helium und ein Neutron.

Es ist sicher. Es gibt keine Möglichkeit für eine außer Kontrolle geratene Reaktionähnlich wie eine Kernspaltung "Kernschmelze". Vielmehr, wenn es irgendeine Fehlfunktion gibt, kühlt das Plasma ab, und die Fusionsreaktionen hören auf.

All diese Eigenschaften haben die Forschung über Jahrzehnte motiviert und sind im Laufe der Zeit noch attraktiver geworden. Die positiven Ergebnisse werden jedoch durch die bedeutende wissenschaftliche Herausforderung der Fusion ergänzt.

Fortschritt bis heute

Der Fortschritt in der Fusion kann auf zwei Arten gemessen werden. Der erste ist der enorme Fortschritt im grundlegenden Verständnis von Hochtemperaturplasmen. Wissenschaftler mussten ein neues Gebiet der Physik entwickeln - Plasmaphysik - Methoden zur Begrenzung des Plasmas in starken Magnetfeldern zu entwickeln und dann die Fähigkeiten zur Erwärmung, Stabilisierung, Steuerung der Turbulenz und zur Messung der Eigenschaften des superhellen Plasmas zu entwickeln.

Die verwandte Technologie ist ebenfalls enorm fortgeschritten. Wir haben schob die Grenzen in Magnetenund elektromagnetische Wellenquellen und Teilchenstrahlen zu enthalten und heizen das Plasma. Wir haben auch Techniken entwickelt, so dass Materialien können der starken Hitze standhalten des Plasmas in aktuellen Experimenten.

Es ist leicht, die praktischen Kennzahlen zu vermitteln, die den Vermarktungsmarsch von Fusion verfolgen. Unter ihnen ist vor allem die im Labor erzeugte Fusionsenergie zu nennen: Die Fusionsenergieerzeugung stieg von Milliwatt für Mikrosekunden in den 1970s zu 10-Megawatt der Fusionsenergie (im Princeton Plasma Physics Laboratory) und 16 Megawatt für eine Sekunde (beim Joint European Torus in England) in den 1990s.

Ein neues Kapitel in der Forschung

Jetzt arbeitet die internationale wissenschaftliche Gemeinschaft in Einheit, um eine massive Fusionsforschungseinrichtung in Frankreich zu errichten. Namens ITER (Lateinisch für "the way"), wird diese Anlage etwa 8 Minuten lang jeweils etwa 9 Megawatt thermische Fusionsenergie erzeugen. Wenn diese Energie in Elektrizität umgewandelt würde, könnte sie über 500-Häuser antreiben. Als ein Experiment wird es uns ermöglichen, wichtige wissenschaftliche und technische Probleme in Vorbereitung auf Fusionskraftwerke zu testen, die kontinuierlich funktionieren werden.

ITER verwendet das Design, das alsTokamak, "Ursprünglich ein russisches Akronym. Es handelt sich um ein Donut-förmiges Plasma, das in einem sehr starken Magnetfeld eingeschlossen ist, das teilweise durch elektrischen Strom erzeugt wird, der im Plasma selbst fließt.

Obwohl es als Forschungsprojekt konzipiert ist und nicht als Nettoerzeuger von elektrischer Energie gedacht ist, wird ITER 10-Zeiten mehr Fusionsenergie erzeugen als die 50-Megawatt, die benötigt werden, um das Plasma zu erhitzen. Dies ist ein großer wissenschaftlicher Schritt, der die ersten "brennendes Plasma, "In dem die meiste Energie, die verwendet wird, um das Plasma zu erhitzen, von der Fusionsreaktion selbst kommt.

ITER wird unterstützt von Regierungen, die die Hälfte der Weltbevölkerung repräsentieren: China, die Europäische Union, Indien, Japan, Russland, Südkorea und die USA Es ist eine starke internationale Erklärung über die Notwendigkeit und das Versprechen von Fusionsenergie.

Die Straße nach vorne

Von hier aus hat der verbleibende Weg zur Fusionskraft zwei Komponenten. Zuerst müssen wir die Erforschung des Tokamaks fortsetzen. Dies bedeutet, dass Physik und Technik vorangebracht werden müssen, damit wir das Plasma über mehrere Monate stabil halten können. Wir müssen Materialien entwickeln, die eine Wärmemenge von einem Fünftel des Wärmestroms auf der Sonnenoberfläche für lange Zeit aushalten können. Und wir müssen Materialien entwickeln, die den Reaktorkern abdecken, um die Neutronen zu absorbieren und Tritium zu züchten.

Die zweite Komponente auf dem Weg zur Fusion ist die Entwicklung von Ideen, die die Attraktivität der Fusion erhöhen. Vier solcher Ideen sind:

1) Optimierung von Fusionsreaktoren unter Verwendung von Computern innerhalb der Grenzen von Physik und Technik. Jenseits dessen, was Menschen berechnen können, produzieren diese optimierten Designs verdrehte Doughnut-Formen Diese sind sehr stabil und können monatelang automatisch arbeiten. Sie werden im Fusion-Geschäft "Stellaratoren" genannt.

2) Entwicklung neuer supraleitender Hochtemperaturmagnete, die stärker und kleiner sein können als das Beste von heute. Dadurch können wir kleinere und wahrscheinlich billigere Fusionsreaktoren bauen.

3) Verwenden von flüssigem Metall statt eines Feststoffs als Material, das das Plasma umgibt. Flüssige Metalle brechen nichtund bietet eine mögliche Lösung für die immense Herausforderung, wie sich ein umgebendes Material beim Kontakt mit dem Plasma verhalten könnte.

4) Gebäudesysteme, die Donut-förmige Plasmen mit enthalten kein Loch in der Mitte, bilden a Plasma fast wie eine Kugel geformt. Einige dieser Ansätze könnten auch mit einem schwächeren Magnetfeld funktionieren. Diese "kompakte Tori"Und" Low-Field "-Ansätze bieten auch die Möglichkeit, Größe und Kosten zu reduzieren.

Von der Regierung geförderte Forschungsprogramme Auf der ganzen Welt arbeiten wir an den Elementen beider Komponenten - und werden Ergebnisse bringen, die allen Ansätzen zur Fusionsenergie (sowie unserem Verständnis von Plasmen im Kosmos und in der Industrie) zugutekommen. In der Vergangenheit 10 zu 15 Jahren, privat finanzierte Unternehmen haben sich ebenfalls der Anstrengung angeschlosseninsbesondere auf der Suche nach kompakten Tori und Low-Field-Durchbrüchen. Der Fortschritt kommt und es wird reichlich, saubere, sichere Energie mit sich bringen.

Über den Autor

Stewart Prager, Professor für Astrophysik, ehemaliger Direktor des Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University und Michael C. Zarnstorff, stellvertretender Direktor für Forschung, Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.

[Anmerkung der Redaktion: Hier ist ein warnende Nachricht über Fusionsenergie.]

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