Seit Jahren versuchen Nuklearwissenschaftler, den Fusionsprozess, der in Milliarden von Sternen stattfindet, nachzubilden, um auf der Erde sauberen Strom zu erzeugen.
Jetzt hat ein britisches Team berichtet, dass es einen wichtigen Meilenstein auf diesem Weg erreicht hat und einen Kernreaktor auf die „magische Zahl“ von 100 Millionen Grad Celsius erhitzt hat.
Dies ist die Schwelle, an der Wasserstoffatome beginnen können, zu Helium zu verschmelzen und dabei nachhaltige Energie freizusetzen, die das Ende fossiler Brennstoffe bedeuten könnte.
Der als „heiliger Gral“ bezeichnete Meilenstein wurde mit dem ST40 „sphärischen Tokamak“ erreicht – einem Nukleargerät in Form eines „entkernten Apfels“ in Oxfordshire – und das Team arbeitet derzeit an einem Fusionsreaktor, der an das nationale Stromnetz angeschlossen werden kann 2030.
Der Meilenstein liegt unter dem Rekord chinesischer Wissenschaftler aus dem Jahr 2021, die ihren Reaktor bei 120 Millionen Grad Celsius betrieben haben.
Der kugelförmige Tokamak (ST40 genannt) nutzt ein starkes Magnetfeld, um Wasserstoffisotope in eine Kugelform einzuschließen, ähnlich einem entkernten Apfel, während sie durch Mikrowellen zu einem Plasma erhitzt werden, um Fusion – und saubere Energie – zu erzeugen
Allerdings sagen die in Oxfordshire ansässigen Experten, die mit Kollegen am Princeton Plasma Physics Laboratory zusammengearbeitet haben, dass ihr Reaktor kleiner ist und mit weniger Plasmaheizleistung läuft – was möglicherweise den Weg für die ersten Fusionskraftwerke ebnet.
Das Forschungsteam beschrieb seine vielversprechenden Ergebnisse in einem neuen Artikel, der in der Fachzeitschrift Nuclear Fusion veröffentlicht wurde.
„Im kompakten kugelförmigen Hochfeld-Tokamak ST40 wurden Ionentemperaturen von über 100 Millionen Grad erzeugt“, heißt es in der Studie.
‘[Such temperatures] wurden bisher in keinem kugelförmigen Tokamak erreicht und wurden nur in viel größeren Geräten mit wesentlich höherer Plasmaheizleistung erreicht.
„In einem kompakten, kugelförmigen Hochfeld-Tokamak können Ionentemperaturen erreicht werden, die für die kommerzielle Fusion mit magnetischem Einschluss relevant sind.“
Tokamak Energy mit Sitz in Milton, Oxfordshire, arbeitet daran, den Fusionsprozess, der in Milliarden von Sternen im gesamten Universum abläuft, in ihrem privat finanzierten Gerät, dem ST40, nachzubilden.
Der ST40, der erstmals im April 2017 in Betrieb genommen wurde, ist ein „kugelförmiger Tokamak“, also gequetschter und kompakter als andere „Donut-förmige“ Reaktoren, die flacher sind und mehrere Meilen Durchmesser erreichen können.
Aufgrund seines Designs ist der ST40 „kompakt“ – weniger als einen Meter breit – und erreicht eine Höhe von etwa 4 Meter.
Ansicht des ST40 „Kugel-Tokamak“ von außen (links) und innen (rechts). Ein kugelförmiger Tokamak hält Plasma in stärkeren Magnetfeldern und formt es eher wie einen entkernten Apfel als wie einen Donut
Die Forscher sagen, dass im kugelförmigen Tokamak ST40 Temperaturen von über 100 Millionen Grad (8,6 keV) erzeugt wurden
Im ST40 wird Wasserstoffgas erhitzt, um zu „Plasma“ zu werden – einer Suppe aus positiv geladenen Teilchen (Ionen) und negativ geladenen Teilchen (Elektronen).
Plasma – das oft als vierter Aggregatzustand nach fest, flüssig und gasförmig bezeichnet wird – macht über 99 Prozent des sichtbaren Universums aus und macht den größten Teil unserer Sonne aus.
Im Tokamak wird das Plasma durch Magnetfelder eingefangen und unter Druck gesetzt, bis die energiereichen Plasmateilchen zu kollidieren beginnen.
Wenn die Teilchen zu Helium verschmelzen, setzen sie enorme Energiemengen frei und ahmen damit den Prozess nach, der natürlicherweise im Zentrum von Sternen abläuft.
Um kommerzielle Energie zu erzeugen, müssen künftige Fusionskraftwerke laut Tokamak Energy Temperaturen von 100 Millionen Grad Celsius erreichen.
Obwohl der Kern unserer Sonne bei etwa 15 Millionen Grad Celsius brennt, müssen die Reaktortemperaturen viel höher sein, da die Sonne eine viel höhere Partikeldichte aufweist.
Obwohl die Kosten für das Erreichen dieses Meilensteins durch den ST40 Berichten zufolge weniger als 50 Millionen Pfund (66 Millionen US-Dollar) betragen, sind andere Reaktoren um ein Vielfaches höher.
Beispielsweise werden die Kosten für den Bau des Internationalen Thermonuklearen Experimentalreaktors (ITER) in Frankreich auf 22,5 Milliarden US-Dollar (15,9 Milliarden Pfund) geschätzt.
Die britischen Forscher sagen, dass ihre Arbeit „die physikalischen Grundlagen voranbringt“ hin zu einer kommerziellen Fusion mit dem ST40-Tokamak zu „potenziell geringeren Kosten“.
Es könnte den Weg für das erste kommerziell nutzbare Fusionskraftwerk im Vereinigten Königreich ebnen, das als Spherical Tokamak for Energy Production (STEP) bezeichnet wird.
Fusionsenergie beruht auf der Kollision schwerer Wasserstoffatome zu Helium und setzt dabei große Energiemengen frei, wie es natürlicherweise im Zentrum von Sternen vorkommt
Ratcliffe-on-Soar Power Station, eines von drei aktiven Kohlekraftwerken im Vereinigten Königreich. Die Schließung ist für September 2024 geplant
STEP wird von der britischen Regierung finanziert und im bestehenden Kraftwerk West Burton in Nottinghamshire errichtet, wie im vergangenen Oktober bekannt gegeben wurde.
Ein Kohlekraftwerk am Standort stellte einige Tage vor der Ankündigung die Produktion ein, als Teil der Bemühungen des Vereinigten Königreichs, fossile Brennstoffe aus dem Verkehr zu ziehen und durch saubere Energiequellen wie Kernenergie zu ersetzen.
Im Vereinigten Königreich sind zwei aktive Kohlekraftwerke in Betrieb – in Kilroot, Nordirland, und Ratcliffe on Soar, Nottingham –, die jedoch bis 2024 entweder stillgelegt oder auf Gasbetrieb umgestellt werden.
Fusionskraftwerke sollen die Treibhausgasemissionen aus dem Stromerzeugungssektor reduzieren, der weltweit eine der Hauptquellen für Kohlenstoffemissionen darstellt.
In nur wenigen Jahrzehnten könnten Kraftwerke, die früher schädliche Schadstoffe wie Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Feinstaub ausstießen, in saubere Anlagen umgewandelt werden, die saubere, erneuerbare Energie liefern.
Während bei der Fusion Atomkerne zu enormen Energiemengen zusammengeführt werden, werden sie bei der Spaltung, die in Atomwaffen und Kernkraftwerken zum Einsatz kommt, in Fragmente gespalten.
Im Gegensatz zur Kernspaltung birgt die Fusion ein geringeres Risiko von Unfällen oder dem Diebstahl von Atommaterial – beides ist jedoch äußerst schwierig und kann teuer sein.
WIE EIN FUSIONSREAKTOR FUNKTIONIERT
Fusion ist der Prozess, bei dem ein Gas erhitzt und in seine Bestandteile Ionen und Elektronen zerlegt wird.
Dabei vermischen sich leichte Elemente wie Wasserstoff zu schwereren Elementen wie Helium.
Damit die Fusion stattfinden kann, werden Wasserstoffatome hoher Hitze und hohem Druck ausgesetzt, bis sie miteinander verschmelzen.
Der Tokamak (künstlerische Darstellung) ist das am weitesten entwickelte magnetische Einschlusssystem und bildet die Grundlage für die Konstruktion vieler moderner Fusionsreaktoren. Das Lila in der Mitte des Diagramms zeigt das Plasma im Inneren
Wenn Deuterium- und Tritiumkerne – die in Wasserstoff vorkommen – verschmelzen, bilden sie einen Heliumkern, ein Neutron und viel Energie.
Dies geschieht durch Erhitzen des Brennstoffs auf Temperaturen über 150 Millionen °C und die Bildung eines heißen Plasmas, einer gasförmigen Suppe aus subatomaren Teilchen.
Durch starke Magnetfelder wird das Plasma von den Reaktorwänden ferngehalten, damit es nicht abkühlt und sein Energiepotential verliert.
Diese Felder werden durch supraleitende Spulen erzeugt, die das Gefäß umgeben, und durch einen elektrischen Strom, der durch das Plasma geleitet wird.
Zur Energieerzeugung muss das Plasma über einen ausreichend langen Zeitraum eingeschlossen werden, damit eine Fusion stattfinden kann.
Wenn Ionen heiß genug werden, können sie ihre gegenseitige Abstoßung überwinden und kollidieren und miteinander verschmelzen.
Dabei setzen sie rund eine Million Mal mehr Energie frei als eine chemische Reaktion und drei- bis viermal mehr als ein herkömmlicher Kernspaltungsreaktor.