Fusion Ignition wird Realität; Energy Breakeven im Lawrence Laboratory erreicht

Den Wissenschaftlern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ist es gelungen Verschmelzung Zündung und Energie die Gewinnzone erreichen. Am 5^th Dezember 2022 führte das Forschungsteam ein kontrolliertes Fusionsexperiment mit Lasern durch, bei dem 192 Laserstrahlen mehr als 2 Millionen Joule UV-Energie an ein winziges Brennstoffpellet in der kryogenen Zielkammer lieferten und einen Energie-Break-Even erreichten, was bedeutet, dass das Fusionsexperiment mehr Energie produzierte als vom Laser bereitgestellt, um es anzutreiben. Dieser Durchbruch wurde zum ersten Mal in der Geschichte nach jahrzehntelanger harter Arbeit erreicht. Dies ist ein Meilenstein in der Wissenschaft und hat erhebliche Auswirkungen auf die Aussicht auf saubere Fusionsenergie in der Zukunft hin zu einer Netto-Null-Kohlenstoff-Wirtschaft, zur Bekämpfung des Klimawandels und zur Aufrechterhaltung der nuklearen Abschreckung, ohne auf Atomtests zur Landesverteidigung zurückzugreifen. Früher, am 8^thAugust 2021 hatte das Forscherteam die Schwelle zur Fusionszündung erreicht. Das Experiment hatte mehr Energie produziert als jedes andere frühere Fusionsexperiment, aber der Energie-Break-Even wurde nicht erreicht. Das letzte Experiment vom 5^th Dezember 2022 hat das Kunststück des Energie-Break-Even vollbracht und damit den Proof-of-Concept geliefert, dass die kontrollierte Kernfusion genutzt werden kann, um den Energiebedarf zu decken Die praktische kommerzielle Anwendung der Fusionsenergie könnte noch sehr weit entfernt sein.

Nuklear Reaktionen liefern große Energiemengen, die der Menge an verlorener Masse entsprechen, gemäß der Masse-Energie-Symmetriegleichung E=MC² von Einstein. Spaltungsreaktionen, die den Abbau von Kernen von Kernbrennstoff (radioaktive Elemente wie Uran-235) umfassen, werden derzeit in Kernreaktoren zur Energieerzeugung eingesetzt. Auf Kernspaltung basierende Reaktoren gehen jedoch hohe Risiken für Mensch und Umwelt ein, wie im Fall von Tschernobyl offensichtlich, und sind berüchtigt dafür, gefährliche radioaktive Abfälle mit sehr langen Halbwertszeiten zu erzeugen, die äußerst schwierig zu entsorgen sind.

In der Natur gibt es Sterne wie unsere Sonne, Kernfusion Der Mechanismus der Energieerzeugung ist die Verschmelzung kleinerer Wasserstoffkerne. Im Gegensatz zur Kernspaltung erfordert die Kernfusion eine extrem hohe Temperatur und einen extrem hohen Druck, damit die Kerne verschmelzen können. Diese Anforderung extrem hoher Temperatur und Druck wird im Kern der Sonne erfüllt, wo die Fusion von Wasserstoffkernen der Schlüsselmechanismus der Energieerzeugung ist. Die Wiederherstellung dieser extremen Bedingungen auf der Erde war jedoch bisher unter kontrollierten Laborbedingungen nicht möglich. Kernfusionsreaktoren sind noch keine Realität. (Das Prinzip der Wasserstoffwaffe ist die unkontrollierte thermonukleare Fusion bei extremen Temperaturen und Drücken, die durch die Auslösung einer Spaltvorrichtung erzeugt werden.)

Es war Arthur Eddington, der erstmals im Jahr 1926 vorschlug, dass Sterne ihre Energie aus der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium beziehen. Die erste direkte Demonstration der Kernfusion fand 1934 im Labor statt, als Rutherford die Fusion von Deuterium zu Helium zeigte und beobachtete, dass während des Prozesses „ein enormer Effekt erzeugt wurde“. Angesichts ihres enormen Potenzials, unbegrenzt saubere Energie bereitzustellen, haben Wissenschaftler und Ingenieure auf der ganzen Welt konzertierte Anstrengungen unternommen, um die Kernfusion auf der Erde zu replizieren, aber es war eine schwierige Aufgabe.

Bei extremen Temperaturen werden Elektronen von den Kernen getrennt und Atome werden zu ionisiertem Gas, das aus positiven Kernen und negativen Elektronen besteht, was wir Plasma nennen und das ein Millionstel Mal weniger dicht ist als die Luft. Das macht Verschmelzung Umgebung sehr dürftig. Damit in einer solchen Umgebung eine Kernfusion stattfinden kann (die eine nennenswerte Energiemenge liefern könnte), müssen drei Bedingungen erfüllt sein; Es sollte eine sehr hohe Temperatur herrschen (die Kollisionen mit hoher Energie hervorrufen könnte), es sollte eine ausreichende Plasmadichte vorhanden sein (um die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen zu erhöhen) und das Plasma (das dazu neigt, sich auszudehnen) sollte für eine ausreichende Zeitdauer eingeschlossen sein Fusion ermöglichen. Daher liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung von Infrastruktur und Technologie zur Eindämmung und Kontrolle von heißem Plasma. Starke Magnetfelder könnten zum Umgang mit Plasma eingesetzt werden, wie im Fall des Tokamak von ITER. Der Trägheitseinschluss von Plasma ist ein weiterer Ansatz, bei dem mit schweren Wasserstoffisotopen gefüllte Kapseln mithilfe hochenergetischer Laserstrahlen implodiert werden.

Fusionsstudien durchgeführt bei Lawrence Das Livermore National Laboratory (LLNL) des NIF verwendete lasergesteuerte Implosionstechniken (Inertial Confinement Fusion). Im Prinzip wurden millimetergroße, mit Deuterium und Tritium gefüllte Kapseln mit Hochleistungslasern, die Röntgenstrahlen erzeugen, implodiert. Die Kapsel wird erhitzt und in Plasma umgewandelt. Das Plasma beschleunigt nach innen und erzeugt extreme Druck- und Temperaturbedingungen, wenn die Brennstoffe in der Kapsel (Deuterium- und Tritiumatome) verschmelzen und dabei Energie und mehrere Teilchen, einschließlich Alphateilchen, freisetzen. Die freigesetzten Partikel interagieren mit dem umgebenden Plasma und erhitzen es weiter, was zu weiteren Fusionsreaktionen und der Freisetzung von mehr „Energie und Partikeln“ führt und so eine sich selbst erhaltende Kette von Fusionsreaktionen in Gang setzt (genannt „Fusionszündung“).

Die Fusionsforschungsgemeinschaft versucht seit mehreren Jahrzehnten, eine „Fusionszündung“ zu erreichen; eine sich selbst erhaltende Fusionsreaktion. Am 8^th August 2021 erreichte das Team des Lawrence Laboratory die Schwelle der „Fusionszündung“, die sie am 5^th Dezember 2022. An diesem Tag wurde die kontrollierte Fusionszündung auf der Erde Realität – ein Meilenstein der Wissenschaft erreicht!

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