Der britische Ansatz zur Energieerzeugung durch Fusion nahm mit der Ankündigung des STEP-Programms (Spherical Tokamak for Energy Production) im Jahr 2019 Gestalt an. Dessen erste Phase (2019–2024) endete mit der Veröffentlichung eines Konzeptdesigns für den Prototyp eines integrierten Fusionskraftwerks. Es basiert auf der Nutzung eines Magnetfelds zur Eindämmung des Plasmas mithilfe einer Tokamak-Maschine, allerdings wird das britische STEP-Programm einen sphärischen Tokamak anstelle des traditionellen ringförmigen Tokamaks verwenden, der bei ITER verwendet wird. Ein sphärischer Tokamak soll mehrere Vorteile haben. Das Kraftwerk wird in Nottinghamshire gebaut und soll Anfang der 2040er Jahre betriebsbereit sein.
Der Bedarf an einer verlässlichen Quelle sauberer Energie zur Deckung des steigenden Energiebedarfs einer wachsenden Bevölkerung und Weltwirtschaft, die rasch dazu beitragen könnte, die Herausforderungen zu bewältigen (die sich aus der Erschöpfung fossiler Brennstoffe, dem Kohlendioxidausstoß und dem Klimawandel, den mit Kernspaltungsreaktoren verbundenen Umweltrisiken und der mangelnden Skalierbarkeit erneuerbarer Energiequellen ergeben), war noch nie so stark spürbar wie heute.
In der Natur treibt die Kernfusion Sterne, einschließlich unserer Sonne, an. Sie findet im Kern des Sterns statt, wo Fusionsbedingungen (d. h. extrem hohe Temperaturen im Bereich von Hunderten Millionen Grad Celsius und Druck) herrschen. Die Fähigkeit, auf der Erde kontrollierte Fusionsbedingungen zu schaffen, ist der Schlüssel zu unbegrenzter sauberer Energie. Dazu gehört die Schaffung einer Fusionsumgebung mit sehr hoher Temperatur, um hochenergetische Kollisionen zu provozieren, die eine ausreichende Plasmadichte aufweist, um die Kollisionswahrscheinlichkeit zu erhöhen, und die das Plasma ausreichend lange einschließen kann, um eine Fusion zu ermöglichen. Offensichtlich sind Infrastruktur und Technologie zur Einschließung und Kontrolle von überhitztem Plasma die wichtigsten Voraussetzungen für die kommerzielle Nutzung der Fusionsenergie. Weltweit werden verschiedene Ansätze zur Plasmaeinschließung erforscht und angewendet, um die Fusionsenergie kommerziell zu nutzen.
Trägheitsfusion (ICF)
Beim Trägheitsfusionsverfahren werden Fusionsbedingungen durch schnelles Komprimieren und Erhitzen einer kleinen Menge Fusionsbrennstoff geschaffen. Die National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) verwendet eine lasergesteuerte Implosionstechnik, um mit Deuterium-Tritium-Brennstoff gefüllte Kapseln mithilfe hochenergetischer Laserstrahlen zum Implodieren zu bringen. Die NIF erreichte im Dezember 2022 erstmals eine Fusionszündung. Anschließend wurde die Fusionszündung im Jahr 2023 dreimal demonstriert, was den Proof of Concept bestätigte, dass kontrollierte Kernfusion zur Deckung des Energiebedarfs genutzt werden kann.
Magnetischer Plasmaeinschluss
Der Einsatz von Magneten zur Eindämmung und Kontrolle von Plasma für die Fusion wird vielerorts erprobt. IITER, die ehrgeizigste Fusionsenergie-Kooperation von 35 Nationen mit Sitz in St. Paul-lez-Durance in Südfrankreich, verwendet einen ringförmigen Torus (oder ein magnetisches Donut-Gerät) namens Tokamak, der Fusionsbrennstoff für lange Zeiträume bei ausreichend hohen Temperaturen eindämmen soll, damit die Fusionszündung stattfinden kann. Tokamaks sind ein führendes Plasmaeindämmungskonzept für Fusionskraftwerke und können die Fusionsreaktion am Laufen halten, solange das Plasma stabil ist. Der Tokamak von ITER wird der größte der Welt sein.
Britisches STEP-Fusionsprogramm (Spherical Tokamak for Energy Production):
Wie ITER basiert auch das STEP-Fusionsprogramm des Vereinigten Königreichs auf der magnetischen Plasmaeinschließung mittels Tokamak. Der Tokamak des STEP-Programms wird jedoch kugelförmig sein (anstelle der Donut-Form von ITER). Ein kugelförmiger Tokamak ist kompakt, kostengünstig und kann möglicherweise leichter skaliert werden.
Das STEP-Programm wurde 2019 angekündigt. Seine erste Phase (2019–2024) endete mit der Veröffentlichung eines Konzeptdesigns für den Prototyp eines integrierten Fusionskraftwerks.
Eine Themenausgabe der Philosophical Transactions A der Royal Society mit dem Titel „Bereitstellung von Fusionsenergie – Der sphärische Tokamak zur Energieerzeugung (STEP)„“ wurde am 15. August 26 veröffentlicht und besteht aus 2024 von Experten begutachteten Artikeln, die den technischen Fortschritt des Programms zur Entwicklung und zum Bau des ersten Prototyp-Kraftwerks Großbritanniens zur Stromerzeugung durch Fusion detailliert beschreiben. Die Artikel geben einen vollständigen Überblick über das Design und die erforderlichen Technologien sowie deren Integration in ein Prototyp-Kraftwerk bis Anfang der 2040er Jahre.
Das STEP-Programm soll den Weg für die kommerzielle Rentabilität der Fusion ebnen, indem es Nettoenergie, Brennstoffautarkie und einen praktikablen Weg zur Anlagenwartung demonstriert. Es verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz zur Bereitstellung eines voll funktionsfähigen Prototyp-Kraftwerks, bei dem auch die Stilllegung als Teil der Planung berücksichtigt wird.
***
References:
- Britische Regierung. Pressemitteilung – Großbritannien ist weltweit führend im Design von Fusionskraftwerken. Veröffentlicht am 03. September 2024. Verfügbar unter https://www.gov.uk/government/news/uk-leading-the-world-in-fusion-powerplant-design
- „Fusionsenergie liefern – Der sphärische Tokamak zur Energieerzeugung (STEP). Die thematische Royal Society-Ausgabe von Philosophical Transactions A. Alle 15 peer-reviewten Artikel in der Themenausgabe erschienen am 26. August 2024. Verfügbar unter https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2024/382/2280
- Britische Forscher geben Einblick in die Entwürfe eines neuartigen Fusionskraftwerks. Science. 4. September 2024. DOI: https://doi.org/10.1126/science.zvexp8a
***
In Verbindung stehende Artikel
- Braune Zwerge (BDs): Das James-Webb-Teleskop identifiziert das kleinste sternähnliche Objekt (5. Januar 2024)
- „Fusion Ignition“ wurde zum vierten Mal im Lawrence Laboratory demonstriert (20 Dezember 2023)
***
