Wenn wir die Haushalte der Welt mit Kernfusion versorgen wollen, besteht der erste Schritt darin, Reaktoren zu bauen, die so heiß und so lange wie möglich laufen können.
Jetzt hat ein Versuchsreaktor namens KSTAR in Daejeon, Korea, einen neuen Weltrekord aufgestellt.
Das riesige, donutförmige Gerät, das als „Koreas künstliche Sonne“ bezeichnet wird, lief 48 Sekunden lang bei 100 Millionen °C (180 Millionen °F).
Um das ins rechte Licht zu rücken: Das ist siebenmal heißer als der Kern der Sonne!
Der rekordverdächtige Test bringt uns dem ultimativen Ziel grenzenloser sauberer Energie einen Schritt näher.
So funktioniert die Kernfusion: Diese Grafik zeigt das Innere eines Kernfusionsreaktors und erklärt den Prozess der Stromerzeugung. Das Herzstück ist der Tokamak, ein Gerät, das ein starkes Magnetfeld nutzt, um die Wasserstoffisotope in eine Kugelform einzuschließen, ähnlich einem entkernten Apfel, während sie durch Mikrowellen zu einem Plasma erhitzt werden, um eine Fusion zu erzeugen
Ingenieure in Südkorea haben die Grenzen der Kernfusion erweitert, indem sie einen neuen Rekord für die Aufrechterhaltung von Plasma aufgestellt haben. Plasma ist einer der vier Aggregatzustände – die anderen sind flüssig, gasförmig und fest – Beispiele hierfür sind Blitz und Sonne
Kernfusionsreaktoren auf der ganzen Welt befinden sich in einem Wettlauf darum, bei höheren Temperaturen und über einen längeren Zeitraum betrieben zu werden, um so viel Energie wie möglich aus dem Fusionsprozess zu gewinnen.
Sie wirken, indem sie schwere Wasserstoffatome kollidieren lassen, um Helium zu bilden, und dabei große Energiemengen freisetzen – was den Prozess nachahmt, der natürlicherweise im Zentrum von Sternen wie unserer Sonne abläuft.
KSTAR stellte bereits im Jahr 2021 einen Rekord von 100 Millionen Grad für 30 Sekunden auf, doch jetzt hat es diesen Rekord übertroffen.
Der Kernfusionsreaktor „künstliche Sonne“ des Rivalen China lief über 17 Minuten, allerdings bei einer niedrigeren Temperatur – 126 Millionen °F (70 Millionen °C).
Koreanischen Experten gelang das Kunststück zwischen Dezember 2023 und Februar 2024, indem sie in ihren Umleitern Wolfram anstelle von Kohlenstoff verwendeten.
Diese Ableiter entfernen Verunreinigungen aus der Fusionsreaktion und halten gleichzeitig unglaublich hoher Hitze stand, was vor allem darauf zurückzuführen ist, dass Wolfram den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle hat.
„Durch gründliche Hardwaretests und Kampagnenvorbereitung konnten wir in kurzer Zeit Ergebnisse erzielen, die die bisherigen KSTAR-Rekorde übertrafen“, sagte Dr. Si-Woo Yoon, Direktor des KSTAR-Forschungszentrums.
Wie andere Fusionsreaktoren ist KSTAR ein „Tokamak“, eine Art donutförmige Kammer, die durch die Fusion von Atomen Energie erzeugt.
Wasserstoffgas im Tokamak-Gefäß wird erhitzt, um zu „Plasma“ zu werden – einer Suppe aus positiv geladenen Teilchen (Ionen) und negativ geladenen Teilchen (Elektronen).
Plasma wird oft als der vierte Zustand der Materie nach fest, flüssig und gasförmig bezeichnet und macht über 99 Prozent des sichtbaren Universums aus, einschließlich des größten Teils unserer Sonne.
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.
Die koreanische „künstliche Sonne“, das Korea Superconducting Tokamak Advanced Research Device (KSTAR), am Korea Institute of Fusion Energy (KFE) in Daejeon
Während der letzten KSTAR-Plasmakampagne von Dezember 2023 bis Februar 2024 konnte das Plasma erfolgreich 48 Sekunden lang mit Ionentemperaturen von 100 Millionen Grad Celsius aufrechterhalten werden
Im Inneren eines Tokamaks wird die durch die Verschmelzung von Atomen erzeugte Energie als Wärme in den Wänden des Gefäßes absorbiert. Im Bild das KSTAR-Vakuumgefäß
Auch wenn die Nutzung der Kernfusion zur Stromversorgung von Haushalten und Unternehmen noch in weiter Ferne liegt, beweist KSTAR, dass die Verbrennung von sternförmigem Brennstoff mit der aktuellen Technologie erreicht und eingedämmt werden kann.
„Um das ultimative Ziel des KSTAR-Betriebs zu erreichen, planen wir, die Leistung von Heiz- und Stromantriebsgeräten schrittweise zu verbessern und auch die Kerntechnologien zu sichern, die für den Langpuls-Hochleistungsplasmabetrieb erforderlich sind“, fügte Dr. Si-Woo Yoon hinzu.
Wie viele andere Reaktoren auf der ganzen Welt wurde KSTAR als Forschungsanlage gebaut, um das vielversprechende Potenzial der Kernfusion zur Stromerzeugung zu demonstrieren.
Zu den weiteren gehören Chinas experimenteller hochentwickelter supraleitender Tokamak (EAST) in Hefei und Japans Reaktor namens JT-60SA, der kürzlich in Naka nördlich von Tokio in Betrieb genommen wurde.
In der Zwischenzeit, die 22,5 Milliarden US-Dollar (15,9 Milliarden Pfund) Der Internationale Thermonukleare Experimentalreaktor (ITER) in Frankreich wird nach Abschluss der Bauarbeiten im nächsten Jahr der größte der Welt sein.
Andere kleinere Reaktoren werden gebaut und getestet – darunter der ST40 in Oxfordshire, der im Vergleich zu anderen „Donut-förmigen“ Reaktoren kompakter und kompakter ist.
Und der Joint European Torus (JET), ebenfalls in Oxfordshire gelegen, setzte innerhalb von fünf Sekunden insgesamt 69 Megajoule Energie frei bevor es kürzlich außer Dienst gestellt wurde.
Der heilige Gral der sauberen Energie: Abgebildet ist die Funktionsweise eines Reaktors, der auf einem von Tokamak Energy mit Sitz in Milton, Oxfordshire, entwickelten Reaktor basiert
Sie alle könnten Vorläufer von Fusionskraftwerken sein, die Strom direkt ins Netz und in die Haushalte der Menschen einspeisen.
Diese Kraftwerke könnten die Treibhausgasemissionen im Stromerzeugungssektor reduzieren, indem sie auf die Nutzung fossiler Brennstoffe wie Kohle und Gas verzichten.
Die Fusion unterscheidet sich von der Spaltung (der derzeit in Kernkraftwerken verwendeten Technik) dadurch, dass erstere zwei Atomkerne verschmilzt, anstatt einen zu spalten (Spaltung).
Im Gegensatz zur Kernspaltung birgt die Fusion kein Risiko für katastrophale Atomunfälle – wie im japanischen Fukushima im Jahr 2011 – und produziert weit weniger radioaktiven Abfall als aktuelle Kraftwerke, sagen ihre Befürworter.
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 etwa eine Million Mal mehr Energie frei als eine chemische Reaktion und drei- bis viermal mehr als ein herkömmlicher Kernspaltungsreaktor.