Fusionsenergie: Was ist das und "wann" wird es passieren?

Die Fusionsenergie verspricht eine reichhaltige Quelle für sauberen und sicheren Strom. Mit Milliarden von Dollar, die bereits investiert wurden, haben wir beispiellose Fortschritte gemacht, um die Fusionsenergie Wirklichkeit werden zu lassen. Aber was ist das genau, wie ist der aktuelle Stand, und was sind die nächsten Schritte? In diesem Artikel wird erklärt, was Fusionsenergie ist, wie ihr aktueller Stand ist und welche Hindernisse noch zu überwinden sind, bevor Fusionskraftwerke an das Stromnetz angeschlossen werden können.

Die Kernfusionsenergie wurde als das "Heiliger Gral" der sauberen Energie: Sie wird kohlenstofffrei, viel sicherer als die konventionelle Kernspaltungund bieten im Gegensatz zu den intermittierenden erneuerbaren Energien eine stabile Stromquelle. Regierungen in aller Welt bemühen sich um den Bau der ersten Fusionsenergieanlage der Welt. Die USA haben sich zum Beispiel dazu verpflichtet $1,48 Milliarden für die Fusionsforschung im letzten Jahr, gleichbedeutend mit ~17% des Budgets des DOE Office of Science für das Jahr 2024. Auch private Fusionsenergieunternehmen haben sich die in den letzten Jahren immer mehr Investitionen angezogen haben. Die Verwirklichung der kommerziellen Fusion hat sich jedoch als große technologische Herausforderung für Ingenieure und Wissenschaftler gleichermaßen erwiesen. Obwohl die Entwicklungsarbeiten bereits 1958 begonnen haben, müssen noch viele Meilensteine erreicht werden, bevor wir unsere Energiesysteme mit Fusionsenergie versorgen können.

Was ist Kernfusion und wie unterscheidet sie sich von bestehenden Kernkraftwerken?

Kernkraftwerke werden heute mit Atomstrom betrieben Spaltung Energie. Beide fusion und Spaltung die Energie aus Reaktionen auf atomarer Ebene nutzbar machen, aber da enden die Gemeinsamkeiten auch schon.

Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, wird die Ernte von Spaltung Die Energie beginnt, wenn ein Neutron in ein Brennstoffatom geschossen wird, das sich dann in kleinere Atome aufspaltet, Dabei wird Energie freigesetzt.. Die Spaltungsenergie wurde zunächst für Atombomben entwickelt, und heute er versorgt weltweit fast 10% der Stromerzeugung als so genannte "Kernkraft".

Von Fusionsenergie spricht man hingegen, wenn zwei Atome miteinander verschmolzen werden, so dass sie sich verbinden und ein neues Atom bilden, Dabei wird Energie freigesetzt.. Hier liegt die Herausforderung bei der Fusionsenergie: Bei der Verschmelzung zweier Atome müssen zwei positiv geladene Kerne zusammengebracht werden, was bedeutet, dass eine große Menge an Anfangsenergie benötigt wird (mindestens 150 Millionen Grad Celsius oder 10 Mal heißer als der Kern der Sonne), um die massive Abstoßungskraft zwischen den Atomen zu überwinden, bevor wir die nach der Kernfusion freiwerdende Energie ernten können. Wie können wir also Maschinen bauen, die ein so hohes anfängliches Energieniveau erreichen?

Abbildung 1: Kernspaltung und Kernfusionsreaktion

Zwei Hauptansätze für die Kernfusion: Magnete vs. Laser

Es gibt zwei Hauptkategorien der Fusionsenergie: magnetische Fusionsenergie (MFE) und Trägheitsfusionsenergie (IFE).

Bei der MFE wird der Fusionsbrennstoff auf die erforderlichen extrem hohen Temperaturen erhitzt, so dass er in einen Plasmazustand übergeht, der im Wesentlichen eine Suppe aus geladenen Teilchen ist. Da Plasmateilchen geladen sind, werden sie von Magnetfeldern beeinflusst. Daher werden Elektromagnete verwendet, um einen magnetischen "Käfig" zu erzeugen, der das heiße Plasma des Fusionsbrennstoffs einschließt (siehe Abbildung 2 - links). Wenn die Plasmamischung aus Fusionsbrennstoffen lange genug heiß wird, kommt es zu Fusionsreaktionen, bei denen Energie freigesetzt wird.

Beim IFE befindet sich der Fusionsbrennstoff in einer Kapsel, die dann in einen Zustand hoher Dichte und Temperatur komprimiert wird, so dass die Fusionsreaktion stattfinden kann. Diese Kompressionsenergie kann auf verschiedene Weise zugeführt werden. In diesem Blogbeitrag konzentrieren wir uns auf die lasergesteuerte IFE, bei der Laserstrahlen die Brennstoffkapsel komprimieren und aufheizen. Die Laserstrahlen können entweder direkt auf die Brennstoffkapsel treffen (Direktantrieb) oder auf einen Sekundärbehälter (den sogenannten Hohlraum, siehe Abbildung 2 - rechts), der wandelt Laserenergie in Röntgenstrahlen und Plasma um die dann auf die Brennstoffkapsel (oder den indirekten Antrieb) treffen und diese komprimieren, wodurch Fusionsreaktionen ausgelöst werden.

Abbildung 2(links) Ein Gerät für magnetische Fusionsenergie (MFE) und (rechts) ein indirekt angetriebener Laserprozess für Trägheitsfusionsenergie (IFE) (angepasst aus RANE, 2023)

Wie ist der aktuelle Stand der Fusionsenergie?

Bevor wir über kommerzielle Fusionskraftwerke verfügen können, müssen zunächst 3 wichtige Meilensteine erreicht werden:

1. Nettogewinn an Fusionsenergie: Die durch Fusionsreaktionen erzeugte Energie muss größer sein als die eingesetzte Energie.
2. Ein funktionierendes Demonstrationskraftwerk: um zu beweisen, dass wir die Fusionsenergie zuverlässig nutzen können
3. Wirtschaftliche Tragfähigkeit: Die Kosten der Fusionsenergie müssen mit denen von Alternativen konkurrieren können.

Bei MFE wurde der erste Meilenstein des Netto-Fusionsenergiegewinns noch nicht erreicht. Zwar haben experimentelle MFE-Geräte erfolgreich Fusionsenergie erzeugt, doch ist die Ausgangsenergie weiterhin geringer als die Eingangsenergie. Seit dem Jahr 2000 sind jedoch stetige Fortschritte zu verzeichnen. Die erste Fusionsanlage wurde 1958 in Betrieb genommen.. Zu den wichtigsten Errungenschaften der letzten Zeit gehören die höchste produzierte Fusionsenergiemenge (69 MJ) im Oktober 2023, und erst im Februar dieses Jahres hat die der Rekord für die längste Plasmadauer wurde mit 22 Minuten gebrochen.

Für IFE ist der erste Meilenstein erreicht. Im Jahr 2022, Zum ersten Mal wurde ein Nettogewinn an Fusionsenergie erzielt in der Geschichte der Menschheit. Mittels IFE mit indirektem Antrieb wurden 2 MJ Laserenergie in einem Hohlraum deponiert und 3 MJ aus der Brennstoffkapsel freigesetzt. Dieser Erfolg hat das Interesse an der IFE-Methode, die in der Vergangenheit im Vergleich zur MFE in den Hintergrund getreten ist, erheblich gesteigert.

Das klingt erstaunlich! Wann werden wir also Fusionskraftwerke haben?

Die Fortschritte bei MFE sind, gelinde gesagt, langsam. Das erste MFE-Gerät wurde etwa zur gleichen Zeit in Betrieb genommen, als der erste Satellit ins All geschossen wurde. Heute landen die Raketen selbst, während die MFE immer noch versucht, den ersten Meilenstein des Nettoenergiegewinns zu erreichen. Wie auch immer, Durch Extrapolation historischer Trends dürfte der MFE-Energie-Breakeven vor 2040 erreicht werden.

Was das IFE betrifft, so war der Nettoenergiegewinn zwar ein großer Erfolg für die Fusionsenergie, aber es gibt auch einen großen Nachteil. Bei diesem historischen Experiment kam es aufgrund von Verlusten in den Laserstrahlen, 300 MJ Strom wurden verbraucht, um die 2 MJ Energie zu deponieren. auf der Brennstoffkapsel. Aus 300 MJ zugeführter Elektrizität wurden 3 MJ Fusionsenergie erzeugt. Mit anderen Worten: Der Netto-Energiegewinn wurde zwar technisch erreicht, aber der Netto-Energiegewinn hat nicht auf einer größeren Systemebene erreicht worden. Die Lasereffizienz und/oder der Energiegewinn müssten noch massiv verbessert werden, bevor ein IFE-Demonstrationskraftwerk in Betracht gezogen werden kann.

Selbst wenn morgen ein Nettogewinn an Fusionsenergie erzielt würde, sind noch immer wichtige technologische Fragen unbeantwortet, vor allem in Bezug auf Brennstoffverfügbarkeit, Materialtechnologien und Wärmegewinnungdie alle für Meilenstein Nr. 2 erforderlich sind. Danach bleibt noch Meilenstein Nr. 3: Wird die Fusionsenergie für den kommerziellen Einsatz wettbewerbsfähig sein? Das müsste in einem anderen Blogbeitrag diskutiert werden - bleiben Sie also dran!