Eine Hohlraumkapsel wird von Lasern durchdrungen, die das Zielmaterial komprimieren und erhitzen, um eine Kernfusion zu induzieren. Die zum Betrieb der Laser benötigte Leistung wurde allerdings nicht eingerechnet. Abbildung mit freundlicher Genehmigung des Lawrence Livermore National Laboratory über AP
Diese Geschichte und kurze Erklärung wurden ursprünglich von veröffentlicht Wächter und werden hier als Teil der reproduziert Klima Schreibtisch Zusammenarbeit.
Forscher haben Berichten zufolge einen Durchbruch bei der Suche nach einer „nahezu unbegrenzten, sicheren und sauberen“ Energiequelle erzielt: Sie haben mehr Energie aus einer Kernfusionsreaktion gewonnen, als sie hineingesteckt haben.
Bei der Kernfusion werden leichte Elemente wie Wasserstoff zu schwereren Elementen zerschmettert und dabei ein gewaltiger Energieschub freigesetzt. Der Ansatz, der die Wärme und das Licht der Sonne und anderer Sterne hervorbringt, wurde als nachhaltige, kohlenstoffarme Energiequelle mit enormem Potenzial gefeiert.
Seit Beginn der Kernfusionsforschung in den 1950er Jahren konnten Forscher jedoch keinen positiven Energiegewinn nachweisen, ein Zustand, der als Zündung bekannt ist. Das war, wie es scheint, bis jetzt.
Laut einem Bericht der Financial Times, der noch von der hinter der Arbeit stehenden National Ignition Facility am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien bestätigt werden muss, ist es den Forschern gelungen, 2,5 Megajoule (MJ) Energie freizusetzen, nachdem sie nur 2,1 MJ verbraucht hatten den Kraftstoff mit Lasern zu erhitzen.
Dr. Robbie Scott von der Plasma Physics Group der Central Laser Facility (CLF) des Science and Technology Facilities Council (STFC), der zu dieser Forschung beigetragen hat, beschrieb die Ergebnisse als „bedeutsame Errungenschaft“.
„Fusion hat das Potenzial, eine nahezu unbegrenzte, sichere, saubere Quelle kohlenstofffreier Grundlastenergie bereitzustellen“, sagte er. „Dieses bahnbrechende Ergebnis der National Ignition Facility ist die erste Labordemonstration des „Energiegewinns“ durch Fusion, bei der mehr Fusionsenergie abgegeben als durch die Laserstrahlen zugeführt wird. Das Ausmaß des Durchbruchs für die Laserfusionsforschung kann nicht hoch genug eingeschätzt werden.
„Das Experiment zeigt eindeutig, dass die Physik der Laserfusion funktioniert“, fügte er hinzu. „Um das Ergebnis von NIF in Stromerzeugung umzuwandeln, bleibt noch viel Arbeit, aber dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg.“
„Es beweist, dass das lang ersehnte Ziel, der ‚Heilige Gral‘ der Fusion, tatsächlich erreicht werden kann.“
Experten haben jedoch betont, dass die Ergebnisse zwar ein wichtiger Beweis für das Prinzip wären, die Technologie jedoch weit davon entfernt ist, eine tragende Säule der Energielandschaft zu sein. Zunächst einmal sind 0,4 MJ ungefähr 0,1 Kilowattstunden (kWh) – ungefähr genug Energie, um einen Wasserkocher zum Kochen zu bringen.
„Um die Fusion in eine Energiequelle umzuwandeln, müssen wir die Energiegewinnung noch weiter steigern“, sagte Chittenden. „Wir müssen auch einen Weg finden, denselben Effekt viel häufiger und viel billiger zu reproduzieren, bevor wir dies realistisch in ein Kraftwerk verwandeln können.“
Prof. Justin Wark, Professor für Physik an der Universität Oxford, fügte hinzu, dass das Lawrence Livermore National Laboratory im Prinzip etwa einmal am Tag ein solches Ergebnis liefern könnte, ein Fusionskraftwerk dies jedoch zehnmal pro Sekunde tun müsste.
Und es gibt noch einen weiteren Punkt: Der berichtete positive Energiegewinn ignoriert die 500 MJ Energie, die in die Laser selbst gesteckt wurden.
Chittenden betonte jedoch, dass das NIF für eine wissenschaftliche Demonstration konzipiert wurde, nicht als Kraftwerk. „Die Effizienz der Umwandlung elektrischer Energie in Laserenergie war kein Faktor bei der Konstruktion“, sagte er.
„Jeder, der im Bereich Fusion arbeitet, würde schnell darauf hinweisen, dass es noch ein langer Weg ist, vom Nachweis des Energiegewinns bis zum Erreichen der Plug-in-Effizienz zu gelangen, bei der die Energie, die aus einem Fusionsreaktor kommt, seine elektrische Energiezufuhr übersteigt, die zum Betreiben des Reaktors erforderlich ist. ” er fügte hinzu.
„Die Experimente an NIF demonstrieren den wissenschaftlichen Prozess der Zündung und wie dies zu einem hohen Gewinn an Fusionsenergie führt, aber um daraus ein Kraftwerk zu machen, müssen wir einfachere Methoden entwickeln, um diese Bedingungen zu erreichen, die effizienter und vor allem effizienter sein müssen billiger, um die Trägheitsfusion als Fusionsenergiequelle zu realisieren.“
Die neuesten Ergebnisse, wenn sie wahr sind, übertreffen den letzten großen Durchbruch der Einrichtung, der erst letztes Jahr erzielt wurde, als bekannt wurde, dass das Team 70 Prozent der in das Experiment eingebrachten Laserenergie als Kernenergie freigesetzt hatte.
Was ist es?
Wir erleben jeden Tag Kernfusion – es ist der Prozess, der die Wärme und das Licht der Sonne und anderer Sterne entstehen lässt. Kurz gesagt, es geht darum, leichte Atome zusammenzuschlagen, um schwerere zu erzeugen, wobei große Mengen an Energie freigesetzt werden.
Um dies selbst zu tun, bedarf es einiger ernsthafter Ingenieurskunst. In der National Ignition Facility des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien wird ein schwacher Laserstrahl geteilt und die Energie verstärkt, um 192 Laserstrahlen zu erzeugen. Diese werden verwendet, um die Wände einer kleinen goldenen Dose, genannt Hohlraum, zu erhitzen, auf mehr als 3 Millionen Grad Celsius, was zur Emission von Röntgenstrahlen führt.
Diese Röntgenstrahlen erhitzen im Hohlraum eine millimetergroße Kapsel, die zwei Formen von Wasserstoff enthält: Deuterium und Tritium. Die Hitze bewirkt, dass die Oberfläche der Kapsel nach außen explodiert und ihren Inhalt zur Implosion zwingt – mit anderen Worten, Deuterium und Tritium werden bei sehr hohem Druck und sehr hoher Temperatur schnell zusammengepresst.
Die Folge ist, dass im heißesten Teil des Brennstoffs eine Fusion stattfindet, die zur Bildung von Heliumkernen führt. Da ein Heliumkern etwas weniger Masse hat als die Kombination aus einem Deuterium- und einem Tritiumkern, wird der Massenunterschied als Energiestoß freigesetzt. Unter den richtigen Bedingungen können die dabei entstehenden Heliumkerne ihre kinetische Energie auf den verbleibenden Brennstoff übertragen, ihn aufheizen und eine weitere Fusion auslösen.
In diesem Fall kann mehr Energie freigesetzt werden, als von den Lasern in das Experiment eingebracht wurde, ein Zustand, der als Zündung bezeichnet wird.
Was ist gerade passiert?
Forscher des NIF haben bekannt gegeben, dass ihnen genau das zum ersten Mal gelungen ist. Das Team verwendete 2,05 MJ Energie, um den Brennstoff mit Lasern zu erhitzen, wodurch 3,15 MJ Energie freigesetzt wurden.
Ist das viel?
Nein nicht wirklich. Der Unterschied – 1,1 MJ – beträgt etwa 0,3 kWh. Um einen vollen Wasserkocher Wasser zum Kochen zu bringen, werden etwa 0,2 kWh benötigt.
Warum sind dann alle so aufgeregt?
Die Kernfusionsforschung wird seit 70 Jahren betrieben, und dies ist das erste Mal, dass es Wissenschaftlern gelungen ist, die Zündung zu demonstrieren – einen positiven Energiegewinn. Die Ergebnisse zeigen, dass es tatsächlich möglich ist, mittels Laserfusion Energie zu erzeugen – ein entscheidender Beweis für das Prinzip, der die Forschung zur Entwicklung der Technologie anspornen wird. Das ist wichtig, weil man hofft, dass die Kernfusion schließlich eine nahezu unbegrenzte, sichere und saubere Energiequelle bieten wird.
Wie weit sind wir davon entfernt, unsere Häuser mit Kernfusion zu versorgen?
Meilen. Und Meilen. Bei den neuesten Experimenten wurde nur eine geringe Menge an überschüssiger Energie erzeugt – und es brauchte viel Energie, etwa 500 MJ, um die Laser überhaupt anzutreiben. Solche Reaktionen müssten auch mit einer viel größeren Frequenz stattfinden – etwa 10 Mal pro Sekunde – und viel billiger in der Ausführung sein, bevor die Kernfusion tatsächlich verwendet werden könnte, um auch nur einen Wasserkocher anzutreiben.
Das sagte Jeremy Chittenden, Professor für Plasmaphysik am Imperial College London Wächter: „Jeder, der im Bereich Fusion arbeitet, würde schnell darauf hinweisen, dass es noch ein langer Weg ist, vom Nachweis des Energiegewinns bis zum Erreichen der Wall-Plug-Effizienz zu gelangen, bei der die Energie, die aus einem Fusionsreaktor kommt, seine elektrische Energiezufuhr übersteigt, die zum Betreiben des Reaktors erforderlich ist .
„Die Experimente an NIF demonstrieren den wissenschaftlichen Prozess der Zündung und wie dies zu einem hohen Gewinn an Fusionsenergie führt, aber um daraus ein Kraftwerk zu machen, müssen wir einfachere Methoden entwickeln, um diese Bedingungen zu erreichen, die effizienter und vor allem effizienter sein müssen billiger, um die Trägheitsfusion als Fusionsenergiequelle zu realisieren.“