National Lab schaltet Kernfusion frei – echter Durchbruch, Novum oder beides?

Historische Premiere: In der National Ignition Facility, wo letzte Woche 192 Laserstrahlen ein Wasserstoff-Brennstoffpellet beschossen, das mehr Energie abgab, als es aufnahm.

Die Kernfusion war lange Zeit der Heilige Gral wirklich sauberer Energie. Das Zusammenschlagen von Wasserstoffatomen verspricht grenzenlosen Strom ohne Kohlenstoffemissionen, ein Minimum an radioaktivem Abfall und kein Risiko einer katastrophalen Kernschmelze. Doch seit einem halben Jahrhundert sind Fusionsforscher durch die Leistung ihrer Laser und die Stärke ihrer Magnetfelder eingeschränkt – sie haben nie zuvor herausgefunden, wie sie bei der Zertrümmerung ihrer Atome mehr Energie herausholen können, als sie hineingesteckt haben. Bis jetzt.

Heute werden Wissenschaftler der National Ignition Facility am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien enthüllen, dass es ihnen Anfang Dezember erstmals gelungen ist, einen Energiegewinn von mehr als 1 zu erreichen – das heißt, es wurde mehr Energie emittiert Die Reaktionen in ihrer Deuterium-Tritium-Brennstoffkapsel (2.000 Megajoule) waren in den 192 Lasern enthalten, mit denen sie sie beschossen haben.

„Es ist eine große Sache, die es wert ist, gefeiert zu werden, aber so etwas wie eine ausgemachte Sache“, sagt Debra Callahan, eine Plasmaphysikerin, die kürzlich das LLNL-Fusionsteam verlassen hat, um wissenschaftliche Direktorin beim Startup Focused Energy zu werden, das bereits an der Kommerzialisierung des Ansatzes arbeitet.

Callahan wusste, dass LLNL einen Nettoenergiegewinn erzielen würde, nachdem das Unternehmen letztes Jahr einen Energieausstoß von 72 % seines Laserenergieeintrags erreicht hatte. „Für mich ist das keine Überraschung. Angesichts der Ergebnisse, die wir gesehen hatten, würde es passieren“, sagt sie. Sie brauchten lediglich etwas mehr Laserleistung.

Wie funktioniert es also? Im Laurence Livermore Lab, inmitten eines Labyrinths aus Stahlrohren, Drahtkabeln und bizarrer Elektronik von der Größe von drei Fußballfeldern, befindet sich ein winziger Hohlzylinder aus Gold, der in Ihre Handfläche passt. Das nennt man Hohlraum. In den Hohlraum bauen Wissenschaftler eine winzige Brennstoffkapsel ein, die mit Deuterium und Tritium – Einzelprotonenisotopen von Wasserstoff – gefüllt ist.

Das Team des National Ignition Project verwendet Gold, weil es die Röntgenstrahlen zurückhält, die entstehen, wenn sie beide Enden des Hohlraums mit 192 der leistungsstärksten Laser der Welt bestrahlen. Callahan sagt: „Es ist wie ein Röntgenofen“, der den Brennstoff so stark komprimiert, dass er implodiert und die Fusion zwischen Atomen im Zentrum der Kapsel zündet. Die Fusion breitet sich dann in einer Welle vom Zentrum aus aus und strahlt enorme Hitze aus – 2,5 Megajoule im Fall des historischen Schusses der letzten Woche. All dies geschieht in einer milliardstel Sekunde.

Beim Trägheitseinschluss-Ansatz der Fusion schießen Laserstrahlen auf ein Pellet, das Wasserstoffisotope enthält, und zünden so eine Fusionsreaktion.

Warum verließ Callahan LLNL, als sie kurz vor dem Erfolg standen? Denn, sagt sie, die National Ignition Facility sei keine Fusionsmaschine. Der Hohlraum eignet sich hervorragend zur Demonstration der Zündung, ist jedoch nicht unbedingt effizient genug für die Entwicklung einer kontinuierlichen gepulsten Fusion, da viel Restlaserenergie beim Erhitzen des Goldes und nicht des Wasserstoffbrennstoffs verloren geht. Bei Focused Energy (unterstützt von Prime Movers Lab und New Enterprise Associates) besteht der Plan daher darin, den Hohlraum zu verwerfen und stattdessen einen „Direktantrieb“-Ansatz zu verwenden, bei dem die Laser direkt auf eine Treibstoffkapsel gestrahlt werden (siehe Schema).

Sie haben noch nicht bewiesen, dass es funktioniert, aber Callahan ist zuversichtlich, dass ihr Pilotprojekt in ein paar Jahren einen 10-fachen Energiegewinn erzielen wird. Darauf folgt eine zweite Anlage mit einer 30-fachen Steigerung, gefolgt von dem Ende der 2030er Jahre ersten kommerziellen Generator, der hoffentlich eine 100-fache Energiesteigerung erzielen und jede Sekunde 10 Treibstoffkapseln abfeuern wird.

Doch darin lag eine besondere Herausforderung. Bei 10 pro Sekunde würde ihre Maschine fast 900.000 Kapseln pro Tag verbrauchen. Das ist nicht so, als würde man Kohle in einen Ofen schaufeln; Jede Kapsel musste nach strengen Standards hergestellt und mit perfektem Timing in die Maschine geschossen werden.

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Ist das realistisch? Einige Fusionskonkurrenten glauben das nicht. General Fusion ist ein in Vancouver, Kanada ansässiges Fusionsunternehmen, das gestern seinen eigenen Meilenstein bekannt gegeben hat. Sein Ansatz heißt magnetisierte Zielfusion und umfasst eine Maschine, bei der eine Kugel aus Wasserstoffplasma in die Maschine injiziert und mit starken Magneten festgehalten wird, während sie mit mechanischen Kolben statt mit Lasern komprimiert wird. CEO Greg Twinney geht davon aus, dass die Pilotanlage, die General Fusion in Großbritannien baut, die Fusion im Jahr 2027 demonstrieren wird und dass der kommerzielle Entwurf Anfang der 2030er Jahre fertig sein wird. „Wenn wir Nachrichten wie diese sehen, sind wir nicht überrascht“, sagt er.

Aber nicht bedroht, da der LLNL-Ansatz nicht auf eine funktionierende Fusionsanlage übertragen werden kann, wie es General Fusion (unterstützt mit 300 Millionen US-Dollar von Jeff Bezos, Shopify SHOP-CEO Tobias Lutke und Temasek und anderen) vorhatte der Anfang. „Alles, was wir tun, ist auf ein kommerzielles Kraftwerk ausgerichtet“, sagt er. „Wenn es in einem wissenschaftlichen Experiment funktioniert, aber nicht kommerziell ist, sind wir daran nicht interessiert.“

Prototyp einer Maschine, die von General Fusion aus Vancouver entwickelt wird.

Die LLNL-Nachricht löste eine ähnliche Reaktion beim CEO David Kirtley des in Seattle ansässigen Fusions-Startups Helion aus, das mit 600 Millionen US-Dollar von den Technologiemagnaten Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman und Jeff Skoll unterstützt wurde. „Wir freuen uns, dass sie mit ihrer Maschine ihre wissenschaftlichen Meilensteine ​​erreicht haben“, sagt Kirtley. Dabei handelt es sich um „ein Forschungsgerät, das nicht für die Stromerzeugung konzipiert ist“. Im Gegensatz dazu beinhaltet der Betrieb des 60 Fuß langen Fusionsgenerators von Helion das Einspritzen von Plasmakugeln an jedem Ende, die sie in einer 100-Millionen-Grad-Reaktion, die durch starke Magnetfelder kontrolliert wird, zusammenschlagen. In Helions neuartigem System drückt die bei den Fusionsreaktionen freigesetzte Energie kontinuierlich gegen ihr magnetisches Eindämmungsfeld, das sie zurückdrückt – und so Schwingungen „wie ein Kolben“ verursacht, sagt Kirtley, die einen elektrischen Strom erzeugen, den Helion direkt aus dem Reaktor auffängt. ohne dass Wärme in Strom umgewandelt werden muss. (Weitere Informationen finden Sie unter Faradays Induktionsgesetz.)

Helion baut seinen 7. Prototyp und entwirft seinen 8., von dem Kirtley hofft, dass er der erste kommerzielle Fusionsgenerator sein wird – möglicherweise bis zum Ende dieses Jahrzehnts ans Stromnetz angeschlossen, wenn alles gut geht. Er sagt, die bundesstaatlichen Atomaufsichtsbehörden seien bereit, ihren Fusionsgenerator den gleichen Regeln zu unterwerfen wie Teilchenbeschleuniger und die Art von Bildgebungsgeräten, die in Krankenhäusern verwendet werden.

Und es gibt viele andere Unternehmen, die den etabliertesten Fusionsansatz verfolgen – das Tokamak-Konzept, bei dem Plasmakugeln in eine Reaktorkammer in Form eines hohlen Donuts injiziert werden, gesteuert durch starke Magnetfelder.

Commonwealth Fusion, ein Spin-off des MIT, versucht, den Tokamak mithilfe von Ultrahochtemperatur-Supraleitermaterialien zu perfektionieren, von denen CEO Bob Mumgaard glaubt, dass sie bis zum Ende des Jahrzehnts über ein funktionierendes Fusionsgerät verfügen werden. Das Gleiche gilt für das in San Diego ansässige Unternehmen General Atomics (bekannt für die Erfindung der Predator-Drohne), das seit Jahrzehnten einen Tokamak für das Energieministerium betreibt und gerade einen neuen entwickelt. GA baute auch den wohl stärksten Magneten der Welt, den sogenannten Zentralmagneten, für das weltweit größte Fusionsprojekt überhaupt, den 30 Milliarden US-Dollar teuren ITER, der in Frankreich im Bau ist.

Wenn es nach den anderen Fusions-Startups geht, wird ITER irgendwann im nächsten Jahrzehnt veraltet sein, bevor es überhaupt fertiggestellt ist. GA (im Besitz des Milliardärs Neal Blue) arbeitet mit dem Savannah River National Lab zusammen, um Brennstoffpellets für laserbasierte Fusionsprojekte wie LLNR und Focused Energy herzustellen.

Der Tokamak-Ansatz zur magnetischen Fusion umfasst einen Reaktor in Form eines hohlen Donuts, der von starken Magneten umgeben ist.

Mit wem auch immer Sie auf dem Gebiet der Kernfusion sprechen, die Kritik an seit langem etablierten Kernspaltungsreaktoren ist dieselbe. Spaltreaktionen (bei denen große Atome angereicherten Urans auseinandergebrochen werden) erzeugen radioaktive Abfälle, darunter Plutonium und gefährliche Aktiniden, die als Waffe eingesetzt werden können. Im Gegensatz zur Kernfusion, die schwer zu starten und leicht zu stoppen ist, sind Spaltungsreaktionen leicht zu starten und schwer zu stoppen, was das Risiko katastrophaler Kernschmelzen mit sich bringt. Neuere Konstruktionen, wie der Spaltreaktor Westinghouse AP1000, der sowohl in den USA als auch in China im Bau ist, verfügen über passive Sicherheitsmaßnahmen und sind praktisch schmelzsicher.

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Einige Atomunternehmer glauben, dass die Kernspaltung ausreicht. Bret Kugelmass, Gründer und CEO von Last Energy, machte sich vor fünf Jahren daran, den effizientesten und wirtschaftlichsten Kernreaktor der Welt zu entwickeln. Bevor er sich für seinen Ansatz entschied, interviewte der heute 36-jährige Kugelmass Hunderte von Experten der Nuklearindustrie (und stellte die Gespräche in seinem Podcast „Titans of Nuclear“ vor), um die kollektive Weisheit der Branche zu sammeln. Obwohl er an die langfristige Zukunft der Kernfusion glaubt, kam Kugelmass zu dem Schluss, dass die weltweit beste Möglichkeit für den Übergang von fossilen Brennstoffen darin besteht, modulare Kernspaltungsreaktoren auf die einfachste, billigste und sicherste Art und Weise zu bauen. In seinem Werk in der Nähe von Houston fertigt Last Energy derzeit seine ersten kleinen, modularen Druckwasserreaktoren, die serienmäßige Komponenten verwenden, die über bestehende nukleare Lieferketten bezogen werden, und deren Technologie über Jahrzehnte perfektioniert wurde und in immer mehr Ländern eingesetzt wird über 300 Reaktoren weltweit.

Laut Kugelmass hat Last Energy bereits zehn seiner 20-Megawatt-Einheiten an einen Kunden in Polen verkauft, zwei weitere an Rumänien und eine Handvoll an Großbritannien. Kugelmass sagt, sein geistiges Eigentum liege nicht in den bewährten Komponenten (Hunderte von Schiffen der US-Marine betreiben seit Jahrzehnten Reaktoren ähnlicher Größe), sondern darin, wie man sie alle zusammenfügt und am Laufen hält. Seine fabrikgefertigten Reaktoren werden leicht zu transportieren, zu installieren und parallel zu betreiben sein. Bisher hat er unter der Leitung von Gigafund 24 Millionen US-Dollar eingesammelt und geht davon aus, dass die ersten Reaktoren in Polen im Jahr 2025 in Betrieb gehen werden. Um die Maschinen zu finanzieren, schließt Last Energy langfristige Stromabnahmeverträge ab, die den Kunden jahrzehntelange CO2-freie Kernenergie zu einem unter dem Marktpreis liegenden Preis versprechen Preise. „Wir konnten eine begehrte Nische erobern, die niemand suchte“, sagt Kugelmass. „Wir haben die gesamte Operation unter Kontrolle gebracht.“

So verlockend das Versprechen, Starpower in Flaschen abzufüllen, auch sein mag: Wenn Kugelmass Recht hat, könnte die Wettbewerbsrealität der etablierten, zuverlässigen Kernspaltung ihren hippen neuen Cousin Fusion für weitere 30 Jahre in den Mülleimer heldenhafter Tech-Flops verbannen. Erinnern Sie sich an Betamax, Google Glass und New Coke?