Jüngste Berichte von Wissenschaftlern, die eine neue Art von Fusionstechnologie untersuchen, sind ermutigend, aber wir sind immer noch weit vom „heiligen Gral sauberer Energie“ entfernt.
Die von Heinrich Hora und seinen Kollegen an der Universität von New South Wales entwickelte Technologie verwendet leistungsstarke Laser, um Wasserstoff- und Boratome zu verschmelzen und energiereiche Partikel freizusetzen, die zur Stromerzeugung verwendet werden können.
Wie bei anderen Arten der Fusionstechnologie besteht die Herausforderung jedoch darin, eine Maschine zu bauen, die zuverlässig eine Reaktion auslösen und die von ihr erzeugte Energie nutzen kann.
Was ist Fusionsenergie?
Fusion ist der Prozess, der Sonne und Sterne antreibt. Dies geschieht, wenn die Kerne zweier Atome so nahe beieinander liegen, dass sie sich zu einem verbinden und dabei Energie freisetzen.
Wenn die Reaktion im Labor repliziert werden kann, kann sie praktisch unbegrenzte Grundlastleistung mit praktisch keinem CO2-Fußabdruck liefern.
Die einfachste Reaktion, die in einem Labor ausgelöst werden kann, ist die Fusion zweier verschiedener Wasserstoffisotope: Deuterium und Tritium. Das Reaktionsprodukt ist ein Heliumion und ein sich schnell bewegendes Neutron. Die meisten bisherigen Synthesestudien haben diese Reaktion verfolgt.
Die Deuterium-Tritium-Fusion funktioniert am besten bei etwa 100.000.000 ℃. Plasmaeinschluss ist die Bezeichnung für den flammenartigen Zustand der Materie bei solchen Temperaturen.
Der führende Ansatz zur Nutzung von Fusionskräften wird als toroidaler magnetischer Einschluss bezeichnet. Supraleitende Spulen werden verwendet, um ein Feld zu erzeugen, das etwa eine Million Mal stärker ist als das Erdmagnetfeld, um das Plasma aufzunehmen.
Wissenschaftler haben bereits in Experimenten in den USA (Testreaktor für die Fusion in Tokamak) und in Großbritannien (United European Torus) eine Deuterium-Tritium-Fusion erreicht. In diesem Jahr wird ein britisches Experiment eine Deuterium-Tritium-Fusionskampagne durchführen.
Diese Experimente lösen eine Fusionsreaktion unter Verwendung massiver externer Erwärmung aus, und es wird mehr Energie benötigt, um die Reaktion aufrechtzuerhalten, als die Reaktion selbst erzeugt.
Die nächste Phase der großen Fusionsforschung wird ein Experiment namens ITER (lateinisch für “Pfad”) umfassen, das in Südfrankreich gebaut werden soll. In ITER produzieren die durch die Reaktion erzeugten begrenzten Heliumionen genauso viel Energie wie externe Quellen. Da ein schnelles Neutron viermal so viel Energie wie ein Heliumion trägt, verfünffacht sich die Leistung.
Was ist der Unterschied zwischen der Verwendung von Wasserstoff und Bor?
Die von Hora und seinen Kollegen berichtete Technologie beinhaltet die Verwendung eines Lasers zur Erzeugung eines sehr starken begrenzenden Magnetfelds und eines zweiten Lasers zum Erhitzen des Wasserstoffbrennstoffpellets, um den Flammpunkt zu erreichen.
Wenn ein Wasserstoffkern (ein Proton) mit einem Bor-11-Kern fusioniert, werden drei Helium-Energiekerne gebildet. Gegenüber der Deuterium-Tritium-Reaktion besteht der Vorteil darin, dass es keine Neutronen gibt, die schwer zu enthalten sind.
Horas Lösung besteht darin, ein kleines Brennstoffpellet mit einem Laser auf seine Zündtemperatur zu erwärmen und mit einem anderen Laser die Metallspulen zu erhitzen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das das Plasma enthält.
Die Technologie verwendet sehr kurze Laserpulse mit einer Dauer von nur Nanosekunden. Das erforderliche Magnetfeld wäre extrem stark, etwa 1000-mal stärker als das Feld, das in Experimenten mit Deuterium und Tritium verwendet wurde.
Hora und Kollegen argumentieren, dass ihr Prozess einen „Lawineneffekt“ im Brennstoffpellet hervorrufen wird, was bedeutet, dass viel mehr Fusion stattfinden wird als erwartet.
Obwohl es experimentelle Beweise gibt, die einen leichten Anstieg der Fusionsreaktionsrate durch Anpassung des Laserstrahls und des Targets unterstützen, müsste der Lawineneffekt im Vergleich zu Deuterium-Tritium-Reaktionen die Fusionsreaktionsrate um mehr als das 100.000-fache bei 100.000.000 ℃ erhöhen.
Die Experimente mit Wasserstoff und Bor haben sicherlich aufregende physikalische Ergebnisse erbracht, aber die Vorhersagen von Hora und Kollegen über einen fünfjährigen Weg zur Realisierung der thermonuklearen Energie scheinen verfrüht. Andere Wissenschaftler haben bereits versucht, die Laserfusion zu starten. Zum Beispiel versuchten sie, eine Zündung durch Wasserstoff-Deuterium-Fusion mit 192 Laserstrahlen zu erreichen, die auf ein kleines Ziel fokussiert waren.
Diese Experimente erreichten ein Drittel der für ein Experiment erforderlichen Bedingungen. Zu den Problemen gehören eine präzise Zielpositionierung, Unregelmäßigkeiten des Laserstrahls und durch Explosionen verursachte Instabilität.
Die Entwicklung der thermonuklearen Energie wird höchstwahrscheinlich durch das internationale Hauptprogramm umgesetzt, das auf dem ITER-Experiment basiert. Australien unterhält eine internationale Zusammenarbeit mit dem ITER-Projekt in den Bereichen Theorie und Modellierung, Materialwissenschaft und -technologie.
Matthew Hole, Senior Research Fellow, Institut für Mathematische Wissenschaften, Australian National University.
Dieser Artikel wurde von The Conversation veröffentlicht.
Quellen: Foto: CCFE / JET
