Warum wird thermonukleare Energie benötigt?
Um zu verhindern, dass die globale Temperatur um mehr als 1,5 steigt
Was wäre, wenn es eine Energielösung gäbe, die all diese dringenden Probleme lösen könnte? Das klingt zwar fantastisch, existiert aber.
Eine der mächtigsten Energieformen, die wir habenWir nutzen heute die Kernenergie. Die moderne Kernenergie ist zwar äußerst effizient und erzeugt keine CO2-Emissionen, hat jedoch viele Nachteile und ist schwerwiegend: potenzielle Kernschmelzen und radioaktive Abfälle, die über Tausende von Jahren gefährlich bleiben.
Aber es gibt einen besseren Weg.
Was ist thermonukleare Fusion und wie kann sie auf der Erde angewendet werden?
Alle aktuellen Kernreaktoren arbeiten mitMit Hilfe der Kernspaltung werden Atome gespalten, um Energie zu erzeugen. Seit Jahren fragen sich Wissenschaftler, wie wir den umgekehrten Prozess - die Kernfusion, die die Sonne durch Zusammenfügen von Atomen „antreibt“ - nutzen können, um den wachsenden Energiebedarf auf der Erde zu decken. Die Kernfusion selbst ist ein supermächtiger Prozess, der um ein Vielfaches stärker ist als die Spaltung und nicht zur Bildung von Atommüll führt, da sein Brennstoff nicht Uran oder Plutonium, sondern Wasserstoff ist. Wenn die Entwicklung eines Fusionsreaktors erfolgreich ist, werden Wissenschaftler eine „Mini-Sonne“ auf der Erde schaffen.
"Erreichen kontrollierter thermonuklearer Reaktionen,die mehr Energie verbrauchen als für ihre Erzeugung erforderlich sind und kommerziell als mögliche Reaktion auf den Klimawandel angesehen werden “, erklärt der Wissenschaftskorrespondent Nathaniel Gronevold von Scientific American. „Fusionsenergie wird den Bedarf an fossilen Brennstoffen beseitigen und die Diskontinuitäts- und Zuverlässigkeitsprobleme lösen, die mit erneuerbaren Energien verbunden sind. Energie wird ohne die gefährliche Menge an Strahlung erzeugt, die Bedenken hinsichtlich der Kernspaltungsenergie aufwirft. "
Beamte des International ThermonuclearExperimental Reactor (ITER), ein multinationales Projekt mit Sitz in Südfrankreich, gab bekannt, dass First Plasma, ein historischer Meilenstein, nur noch 6,5 Jahre entfernt ist. Das ITER-Projekt, das von einem Konsortium aus 35 Ländern unterstützt wird, ist laut einer Pressemitteilung dieser Woche zu 65% abgeschlossen. Der neu installierte Abschnitt - die Basis des Kryostaten und des unteren Zylinders - ebnet den Weg für die Installation des Tokamaks, der technologischen Struktur, die ausgewählt wurde, um das starke Magnetfeld aufzunehmen, das den Schmelzkern des superheißen Plasmas umgeben würde.
Kernfusionsprobleme
Kernfusion ist aufgrund so schwierig zu erreichenextreme Bedingungen - zum Beispiel im Kern der Sonne - die hier auf der Erde reproduziert werden müssen. Wie im US-Energieministerium erklärt, "werden thermonukleare Reaktionen von Wissenschaftlern untersucht, aber sie sind aufgrund des enormen Drucks und der Temperatur, die zum Verschmelzen von Kernen erforderlich sind, über lange Zeiträume schwer aufrechtzuerhalten."
Fusionsenergie erfordert Eindämmungsehr heißes Plasma unter hohem Druck. Der magnetische Einschluss von sehr heißem Plasma – das um ein Vielfaches heißer ist als das Zentrum der Sonne – erfordert starke Magnetfelder. Sie müssen dem Zehnfachen des atmosphärischen Drucks auf der Erdoberfläche entsprechen. Die Stärke des Magnetfelds ist ein entscheidender Parameter beim Erreichen dieser Bedingungen, da es sowohl für die Isolierung sorgt, um das Plasma heiß zu halten, als auch für den externen Druck, um es stabil zu halten – und das alles ohne physischen Kontakt zwischen dem Plasma und der Oberfläche des Materials.
Obwohl Kernfusion erzeugtUnglaubliche Aussichten für die Lösung einiger der schwierigsten Probleme der modernen Welt, die Zeit drängt, und viele Experten sagen, dass die Zeit nicht auf unserer Seite ist, auch wenn die Kernfusion unmittelbar bevorsteht. Obwohl man hofft, dass ITER bis 2025 in Betrieb genommen und etwa 2035 voll betriebsbereit sein wird, könnte dies jedoch zu spät sein. Bereits 2019 argumentierten Klimaexperten, dass die 12-Jahres-Frist, die das Zwischenstaatliche Gremium der Welt gesetzt hatte, um die sich verändernde Situation des Planeten umzukehren, möglicherweise auf 18 Monate verkürzt werden müsse. Hans Joachim Schellnhuber vom Potsdamer Klimainstitut hat es vor einem Jahr so erklärt: „Die Klimamathematik ist glasklar: Auch wenn die Welt in den nächsten Jahren möglicherweise nicht geheilt wird, kann sie vor 2020 durch Nachlässigkeit tödlich verwundet werden.“
Diese Woche haben sich die Hoffnungen auf saubere Energie jedoch wieder entzündet.
SPARC-Projekt
Wissenschaftler entwickeln eine kompakte VersionIn einer Reihe von Forschungsarbeiten wurde gezeigt, dass ein Kernfusionsreaktor funktioniert, was die Hoffnung wieder aufleben lässt, dass das lange unerreichbare Ziel, die Energieproduktion der Sonne nachzuahmen, erreicht werden und letztendlich zum Kampf gegen den Klimawandel beitragen kann.
Zentrum für Plasmaforschung und thermonuklearDas MIT entwickelt in Zusammenarbeit mit dem in Privatbesitz befindlichen Startup Commonwealth Fusion Systems (CFS) das SPARC-Konzeptdesign. Dies ist ein kompaktes Hochspannungsexperiment mit reiner thermonuklearer Energie. Es wird erwartet, dass der SPARC die Größe bestehender Fusionsvorrichtungen im mittleren Bereich hat, jedoch ein viel stärkeres Magnetfeld aufweist. Basierend auf den Gesetzen der Physik hoffen die Wissenschaftler, dass das Gerät 50-100 MW thermonukleare Energie erzeugen wird. Ein solches Experiment wird die erste Demonstration der Erzeugung sauberer Energie und der Möglichkeit sein, ein Gerät zu schaffen, das mit neuer supraleitender Technologie gebaut wurde. SPARC fügt sich in eine Gesamtstrategie zur Beschleunigung der Fusionsentwicklung durch die Verwendung neuer hochfeld-hochtemperatursupraleitender (HTSC) Magnete ein.
Das Sparc-Fusionskraftwerk ist relativ klein, wie in diesem Bild der Reaktionskammer gezeigt.
T. Henderson / CFS / MIT-PSFC
Bauzeit
Es wird erwartet, dass der Bau des Reaktors unterDer Name SPARC, der von Forschern des Massachusetts Institute of Technology und einer Tochtergesellschaft von Commonwealth Fusion Systems entwickelt wird, wird im nächsten Frühjahr beginnen und drei oder vier Jahre dauern, sagten Forscher und Unternehmensvertreter.
Obwohl es immer noch viele ernsthafte Probleme gibt,Das Unternehmen sagte, auf den Bau würden Versuche und bei Erfolg ein Kraftwerk folgen, das ab dem nächsten Jahrzehnt Fusionsenergie zur Stromerzeugung nutzen könnte.
Dieser ehrgeizige Zeitplan ist viel schneller alsdas weltweit größte Fusionsenergieprojekt, ein multinationales Projekt im Süden Frankreichs namens ITER. Dieser Reaktor befindet sich seit 2013 im Bau und obwohl er nicht für die Stromerzeugung ausgelegt ist, wird erwartet, dass er bis 2035 Fusionsreaktionen hervorruft.
Bob Mumgaard, CEO von CommonwealthFusion und einer der Gründer des Unternehmens sagten, das Ziel des SPARC-Projekts sei es, die Fusion rechtzeitig zu entwickeln, um die Auswirkungen der globalen Erwärmung abzumildern. "Wir konzentrieren uns darauf, so schnell wie möglich thermonukleare Energie zu erhalten", sagte er.
Thermonukleare Fusion, bei der leichte Atome entstehenDas Zusammentreffen bei Temperaturen von mehreren zehn Millionen Grad zur Freisetzung von Energie ist für die Welt zu einer Möglichkeit geworden, mit den Auswirkungen der Stromerzeugung auf den Klimawandel umzugehen.
Wie ein herkömmliches Kernspaltungskraftwerk, das Atome spaltet, wird ein Fusionskraftwerk keine fossilen Brennstoffe verbrennen und keine Treibhausgasemissionen verursachen.
Projektkritik
Trotz der Ambitionen des Projekts stehen Hindernisse im WegDie Schaffung einer Maschine, die in der Lage ist, thermonukleares Plasma zu erzeugen und eine wirbelnde, superheiße Wolke von Atomen zu steuern, die alles beschädigt oder zerstört, was sie berührt, ist enorm.
Einige Wissenschaftler, die jahrzehntelang an thermonuklearer Energie gearbeitet haben, sagen, dass die Zeitachse einfach unrealistisch ist, obwohl sie von Sparcs Aussichten begeistert sind.
„Lesen dieser Dokumente (Forschungsarbeiten- ca. ed.) gibt mir das Gefühl, dass die Entwickler das kontrollierte thermonukleare thermonukleare Plasma haben werden, von dem wir alle träumen ", sagte Carey Forest, ein Physiker an der Universität von Wisconsin, der nicht an dem Projekt beteiligt ist. Er ist sich jedoch nicht sicher, ob der Projektzeitplan realistisch ist.
Laut Dr. Mumgaard wird SPARC viel seinkleiner als ein ITER - die Größe eines Tennisplatzes im Vergleich zu einem Fußballfeld - und viel billiger als ein internationales Projekt, das nach offiziellen Schätzungen etwa 22 Milliarden US-Dollar kosten wird, aber diese Zahl ist nicht die Grenze. Commonwealth Fusion wurde 2018 gegründet und beschäftigt mit rund 100 Mitarbeitern bisher 200 Millionen US-Dollar für sein Projekt.
Unterschiede zwischen Sparc und ITER
Seit sie vor fast einem Jahrhundert begannenFusionsexperimenten ist die Aussicht, ein praktisches Fusionsgerät zu schaffen, das mehr Energie erzeugen kann, als es verbraucht, bisher schwer zu fassen.
Aber nach den Erkenntnissen von Wissenschaftlern im Journal of Plasma Physics wird das SPARC-Projekt erfolgreich sein und zehnmal mehr Energie produzieren, als es verbraucht.
Forschung “bestätigt, dass das Projekt istDas, für das wir arbeiten, wird wahrscheinlich funktionieren “, sagte Martin Greenwald, stellvertretender Direktor des MIT-Zentrums für Plasmaforschung und -fusion und einer der führenden Wissenschaftler des Projekts. Dr. Greenwald ist der Gründer von Commonwealth Fusion, aber derzeit nicht mit dem Unternehmen verbunden.
SPARC verwendet denselben Gerätetyp wieITER: Eine Tokamak- oder Donut-förmige Kammer, in der eine Fusionsreaktion stattfindet. Weil die Plasmawolke so heiß ist - heißer als die Sonne - muss sie durch magnetische Kräfte zurückgehalten werden.
ITER verwendet dazu riesige elektromagnetische Spulen mit supraleitenden Drähten, die mit flüssigem Helium gekühlt werden müssen.
Modell des ITER-Fusionsreaktors (Querschnitt)
CC BY-SA 2.0 fr
Laut Greenwald verwendet SPARCdie Vorteile einer neuen elektromagnetischen Technologie, die sogenannte Hochtemperatursupraleiter verwendet, die ein viel stärkeres Magnetfeld erzeugen können. Infolgedessen ist das Plasma viel kleiner.
Die Dokumente zeigen, dass „dieser Weg mit hochDas Feld sieht immer noch lebensfähig aus “, sagte Dr. Greenwald. "Wenn wir die technischen Herausforderungen bewältigen können, wird diese Maschine so funktionieren, wie wir es vorhersagen."
Commonwealth Fusion gab bekannt, dass es in einigen Monaten den Aufenthaltsort von SPARC bekannt geben wird.
Wer arbeitet noch an thermonuklearer Energie und gibt es Hoffnung?
Commonwealth Fusion ist nur eine von vielenUnternehmen, die in Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen an der Entwicklung und Vermarktung von Fusionsenergie arbeiten und von Investitionen in Höhe von Hunderten Millionen Dollar unterstützt werden.
Zum Beispiel TAE Technologies, ansässigin Südkalifornien arbeitet an einem Entwurf, der ein lineares Gerät verwendet, das zwei Plasmawolken aufeinander schießt, um eine Kernfusion zu erzeugen.
First Light Fusion, eine Tochtergesellschaft der Universität Oxford in England, nutzt Energie zum Komprimieren und Komprimieren von Kernbrennstoff.
Dr. Forest sagte:Durch die Verwendung stärkerer Magnetfelder kann man sagen, dass SPARC „konservativer“ ist. „Dadurch unterscheidet es sich völlig von allen Start-ups, die per Definition mehr riskant“, betont er.
William Dorland, Physiker an der University of Maryland undDer Herausgeber des Journal of Plasma Physics sagte, das Journal habe Vertreter einiger dieser Fusionsprojekte gebeten, "über ihre physikalischen Grundlagen zu sprechen". Die MIT- und Commonwealth-Fusion-Gruppe stimmten schnell zu, sagte er.
„Aus meiner Sicht ist dies die erste dieser Gruppen,Das hat privates Geld, was eigentlich sehr klar ist, was sie tun “, sagte Dr. Dorland. - Vernünftige Leute sind sich nicht einig, ob es funktioniert. Aber ich bin nur froh, dass sie uns mit normaler Wissenschaft erzählt haben, was passiert “, schließt er.
Am Ende, welche Konsequenzen zu erwarten sindeinen Fusionsreaktor entwickeln? Wenn technologische Prozesse getestet und kontrolliert werden, wird dies die Menschheit retten. Saubere Energie aus der Verschmelzung von Atomen, anstatt sie zu spalten, schützt den Planeten zumindest vor Atommüll.
Was ist das Endergebnis?
Trotz aller Gefahren und Komplexität der ProjekteAngesichts der Entwicklung der Kernfusion scheint die Menschheit keine Alternative zu haben. Die Fähigkeiten des Planeten sind im Gegensatz zu den menschlichen Bedürfnissen begrenzt. Ob SPARC, ITER oder irgendein Startup ihre Versprechen erfüllen wird, wird die Zeit zeigen.
Lesen Sie auch
Wissenschaftler haben eine Farbe geschaffen, die teure Sonnenkollektoren ersetzen kann
Die CHEOPS-Mission hat einen Planeten mit den härtesten Bedingungen im Universum gefunden. die Hauptsache
Astronomen haben einen Mondbeschleuniger aus den 60er Jahren entdeckt. Er geht in Richtung Erde