Das Interesse an Fusionsenergie nimmt heute zu, als Reaktion auf den dringenden Bedarf der Welt an reichlich vorhandener sauberer Energie. Mittlerweile verfolgen mindestens 43 private Unternehmen das Ziel, zwei Atomkerne unter Freisetzung von Energie sicher zu einem schwereren Kern zu verschmelzen. Allerdings wirft die Standardreaktion Deuterium-Tritium (DT) im Kern von Fusionsreaktoren eine Reihe großer langfristiger Probleme auf.
Deuterium und Tritium sind Wasserstoffisotope, die bei niedrigeren Temperaturen verschmelzen und mehr Energie freisetzen als andere Reaktionen. Sie erzeugen aber auch einen Strom von Neutronen, was komplexe (und noch nicht ausgereifte) Eindämmungstechnologien erfordert, um zu verhindern, dass Neutronenstrahlung die Reaktorwände, die unterstützende Infrastruktur und Lebewesen in der Nähe zerstört.
Dies wird uns dazu zwingen, eine Reihe fortschrittlicherer Fusionsbrennstoffe oder sehr innovative Maßnahmen zu untersuchen, um das Problem zu überwinden oder positiv zu nutzen.
Eine neue Generation eigenwilliger Fusionsexperten will das Neutronenproblem lösen. Ihr Ansatz besteht darin, DT-Brennstoffe durch leicht verfügbare Elemente zu ersetzen, die bei der Fusion Energie freisetzen, die von geladenen Teilchen und nicht von Neutronen getragen wird. Befürworter dieser Methode, der aneutronischen Fusion, argumentieren, dass die Geräte letztendlich einfacher zu bauen und besser für Energiesysteme geeignet sein werden, da sich die Energie geladener Teilchen leichter in Elektrizität umwandeln lässt. Außerdem produzieren sie kaum oder gar keinen radioaktiven Abfall.
Wasserstoff-Bor-Fusion
TAE Technologies, früher bekannt als TriAlpha Energy, verfügt über das etablierteste private aneutronische Fusionsprogramm. Das Unternehmen wurde 1998 gegründet und verfügt laut CEO Michl Binderbauer über ein aktuelles Kapital von rund 1,25 Milliarden US-Dollar. Der Ansatz von TAE besteht darin, seine Reaktionen mit Wasserstoff und Bor anzutreiben, einer Mischung, die auch als p-B11 bekannt ist. Beim Schmelzen setzt Wasserstoff-Bor drei positiv geladene Helium-4-Kerne frei, die als Alpha-Teilchen bekannt sind.
Das TAE-Design begrenzt Plasma – einen Brennstoff, der so heiß ist, dass Elektronen von den Atomen abgezogen werden und ein ionisiertes Gas entsteht – durch eine Technik namens Reverse Field Configuration (FRC). In einem FRC ist das Plasma hauptsächlich in seinem eigenen Magnetfeld eingeschlossen und nicht auf ein von außen angelegtes Feld angewiesen.
Der zylindrische lineare Forschungsreaktor von TAE mit dem Spitznamen „Norman“ ist an beiden Enden mit nach innen gerichteten elektromagnetischen Plasmakanonen versehen, die Plasmaringe in eine zentrale Kammer beschleunigen. Dort verbinden sich die Ringe zu einem einzigen zylindrischen Plasma, das durch einen von den Seiten kommenden Strahl neutraler Atome stabilisiert wird. Diese Strahlen erhitzen auch das Plasma und versorgen es mit frischem Brennstoff. Das Kraftwerksdesign von TAE würde Wärme in den Wänden des Sicherheitsbehälters speichern und sie mithilfe eines herkömmlichen Wärmeumwandlungssystems in Dampf umwandeln, um eine Turbine anzutreiben.
„Es ist ein superstylisches Biest“, sagt Binderbauer. „Bei typischen magnetischen Einschlusskonstruktionen entfallen etwa 60 % der Maschinenkosten auf die Kosten der Magnete. Wenn Sie Ihr Magnetfeld mit dem Plasma selbst optimal nutzen können, haben Sie einen enormen wirtschaftlichen Vorteil.“
Aber FRCs haben sich in der Vergangenheit als widerspenstig erwiesen: Wenn sich das Plasma schlecht verhält, löst sich auch das benachbarte Magnetfeld auf und das Plasma kühlt ab. Binderbauers Team hat im letzten Jahrzehnt nach Möglichkeiten gesucht, Plasma zu stabilisieren. In den letzten Jahren hat das Unternehmen Methoden und Hardware entwickelt, um Plasma in Echtzeit umzuformen und neu zu positionieren und dabei die Fortschritte in der künstlichen Intelligenz und im maschinellen Lernen zu nutzen.
„Jetzt haben wir diese Stabilität“, sagt Binderbauer. „Wir können diese Ströme manipulieren und sie konstant und stabil halten. Wir erhalten wunderschöne Magnetfelder, die sich genau wie erwartet verhalten.“
Die Verbrennung von Wasserstoff-Bor-Brennstoff zur Erzeugung von Fusionsenergie hat einen weiteren erheblichen Nachteil: Sie erfordert extreme Temperaturen, mehr als 3 Milliarden Grad Celsius, 20 oder 30 Mal höher als die Temperaturen, die für eine Deuterium-Tritium-Reaktion erforderlich sind. Viele Physiker gehen traditionell davon aus, dass die Elektronen bei diesen Temperaturen so stark verlangsamt werden, dass sie das Plasma schneller abkühlen, als es erhitzt werden kann.
Binderbauer entgegnet, dass Elektronen der Hauptenergieträger aus dem Plasma sein werden, die Temperatur dieser Elektronen jedoch durch relativistische Effekte festgelegt wird. „Seit den 1990er Jahren haben wir äußerst anspruchsvolle Arbeit geleistet und eine Reihe von Peer-Review-Artikeln veröffentlicht. Andere haben diese Dinge gemessen und festgestellt, dass es keine staatsterbende, katastrophale Strahlungskühlung gibt.“
Wetten auf ein seltenes Isotop
Helion Energy zielt stattdessen auf eine Fusion basierend auf einem seltenen Heliumisotop, Helium-3. Leider ist Helium-3 äußerst selten – es macht nur 0,0001 % des auf der Erde verfügbaren Heliums aus – und seine Herstellung ist äußerst teuer. Helium-3 könnte schließlich auf der Mondoberfläche abgebaut werden, wo schätzungsweise 1,1 Millionen Tonnen vorhanden sind. Doch statt ein Raumschiff zu bauen, plant Helion, in seiner Maschine Helium-3 durch Deuterium-Deuterium-Nebenreaktionen herzustellen. Bisher hat das Unternehmen nur eine sehr kleine Menge Helium-3 produziert, plant aber, „einen patentierten, hocheffizienten geschlossenen Brennstoffkreislauf“ zu nutzen, um die Helium-3-Produktion zu steigern.
Diese Reaktion könnte ein Zwischenschritt für die Deuterium-Tritium-Reaktion sein, die „traditionelle“ oder die Proton-Bor-Reaktion, da sie eine niedrigere Temperatur erfordert.
D-Helium-3-Reaktionen sind nicht vollständig aneutronisch, sondern geben nur etwa 5 % ihrer Energie als schnelle Neutronen ab. Dadurch werden die Komplikationen von Strahlenschäden nicht vollständig beseitigt, aber deutlich reduziert.
Helions Gerät wird wie das von TAE ein Zylinder sein, der mit gegensätzlichen Plasmakanonen bedeckt ist. Anstatt zu versuchen, eine anhaltende Reaktion zu erzeugen, pulsieren die Plasmakanonen der Maschine etwa einmal pro Sekunde, so das Unternehmen, wodurch in der Mitte ein stationärer FRC entsteht und das Plasma mit einem Magnetfeld kondensiert, bis es heiß und dicht genug wird, um zu verschmelzen. Wenn die Energie freigesetzt wird, drückt das Plasma gegen das Magnetfeld nach außen, sodass das System die geladene Energie über Magnetspulen sammeln kann.
Um die Impulse zu erzeugen, ist das Helion-Gerät auf große Kondensatorbänke angewiesen, die bis zu 50 Megajoule Energie speichern und diese in weniger als einer Millisekunde immer wieder entladen können.
Trotz dieser und anderer technischer Hürden hat Helion seinen ersten Kunden für ein Kraftwerk gefunden, das 2028 ans Netz gehen soll. Das Unternehmen hat kürzlich einen Vertrag mit Microsoft über die Lieferung von mindestens 50 Megawatt Strom abgeschlossen, genug für eine Fabrik oder für Daten Produktion. Zentrum, nach einer einjährigen Beschleunigungsphase.
Viele in der Fusionsenergie-Community haben es als Werbegag oder bestenfalls als übermäßig optimistische Werbung für ein Unternehmen abgetan, das aus seinen Reaktionen noch keinen Nettoenergiegewinn nachweisen kann.
Die Bor-Laser-Fusion von HB11
Das in Australien ansässige HB11- Reaktorkonzept nutzt Hochleistungslaser in Kombination mit magnetischem Einschluss, um Wasserstoff und Bor zu verschmelzen. Der Ansatz nutzt ultrakurze Pulse von Ultrakurzpuls-Verstärkungslasern – Gegenstand des Nobelpreises für Physik 2018 –, um Wasserstoff durch einen Bor-Brennstoff in einem einfangenden Magnetfeld schnell zu beschleunigen und bei ihrer Kollision ein Fusionsereignis zu erzeugen.
Der Zusammenschluss nach Angaben des deutschen Marvel
Das in Deutschland ansässige Unternehmen Marvel Fusio n verfolgt die laserinitiierte Trägheitsfusion unter Verwendung eines Hochenergielasers und des Treibstoffs Proton Boron-11 in nanostrukturierten Zielen. Das Unternehmen hat kürzlich eine Partnerschaft mit der Colorado State University geschlossen, um in Fort Collins eine der leistungsstärksten Laseranlagen der Welt zu bauen.
Princeton Fusion Systems
Der FRC-Ansatz von Princeton Fusion Systems nutzt Deuterium und Helium-3 und nutzt HF-Erwärmung sowohl für die FRC-Bildung als auch für die Plasmaerwärmung. Mit Hilfe der supraleitenden Magnettechnologie will das Experiment an der kleinmaßstäblichen Kernfusion arbeiten, die zu emissionsarmen Anwendungen mit einer Produktionsvariable von 1 bis 10 MW führen soll, die für U-Boote, Industrieanlagen, Raumschiffe oder städtische Kraftwerke genutzt werden könnten. Das für die Fusion benötigte Helium 3 würde mit einem Sondensystem vom Mond eingefangen.
Eine äußerst futuristische Vision der Kernfusion.
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Der Artikel Die neuen Grenzen der aneutronischen Kernfusion stammt von Scenari Economici .
Dies ist eine Übersetzung eines Artikels, der am Sat, 21 Oct 2023 16:20:17 +0000 im italienischen Blog Scenari Economici unter der URL https://scenarieconomici.it/le-nuove-frontiere-della-fusione-nucleare-aneutronica/ veröffentlicht wurde.