Ist die erste Kernfusionsanlage der Welt endlich auf Kurs?

Die erste Kernfusionsanlage der Welt ist jetzt zu 50 Prozent fertiggestellt, kündigte der Generaldirektor des Projekts am Mittwoch (6. Dezember) an.

Wenn sie in Betrieb ist, zirkuliert die experimentelle Fusionsanlage, der Internationale Thermonukleare Experimentalreaktor (ITER), in ihrem 10 Mal wärmeren Kern als die Sonne, umgeben von Magneten, die so kalt sind wie der interstellare Raum.

Dessen Ziel? Wasserstoffatome zu verschmelzen und 10-mal mehr Energie zu erzeugen, als in den 2030er Jahren.

Letztendlich soll ITER beweisen, dass Fusionskraft im kommerziellen Maßstab erzeugt werden kann und nachhaltig, reichlich, sicher und sauber ist.

"Mit ITER und Fusionsenergie haben wir die Chance, ein starkes und positives Vermächtnis für zukünftige Generationen zu hinterlassen, anstatt der derzeitigen Energieperspektive", sagte Bernard Bigot, Generaldirektor von ITER, gegenüber Live Science. [Top 10 verrücktesten Umweltideen]

Die Kernfusion, die gleiche Reaktion, die im Herzen der Sonne stattfindet, führt Atomkerne zu schwereren Kernen zusammen. Die Kernfusion ist ein lang angestrebtes Ziel, da Fusionsreaktionen weit mehr Energie erzeugen als die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Zum Beispiel bietet eine ananasgroße Menge an Wasserstoffatomen so viel Energie wie 10.000 Tonnen Kohle, so eine Aussage des ITER-Projekts.

Anders als die heutigen Kernspaltungsanlagen, die große Atome in kleinere zerlegen, würde eine Fusionsanlage keine hohen radioaktiven Abfälle erzeugen. Und im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen erzeugt Fusionsenergie nicht das Treibhausgas Kohlendioxid oder andere Schadstoffe. [Die Realität des Klimawandels: 10 Mythen gesprengt]

ITER zielt darauf ab, supraleitende Magnete zu verwenden, um Wasserstoffatome zu verschmelzen und große Mengen an Wärme zu produzieren. Zukünftige Kernfusionsanlagen können diese Wärme nutzen, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen.

Der Versuchsreaktor wird keine konventionellen Wasserstoffatome verwenden, deren Kerne jeweils aus einem Proton bestehen. Stattdessen wird es Deuterium, dessen Kerne jeweils ein Proton und ein Neutron besitzen, mit Tritium fusionieren, dessen Kerne jeweils ein Proton und zwei Neutronen haben. Deuterium wird leicht aus Meerwasser extrahiert, während Tritium innerhalb des Fusionsreaktors erzeugt wird. Die Versorgung mit diesen Brennstoffen ist reichlich vorhanden, genug für Millionen von Jahren bei der derzeitigen globalen Energienutzung, so ITER.

Und im Gegensatz zu Kernspaltungsreaktoren ist die Fusion sehr sicher: Wenn Fusionsreaktionen in einer Fusionsanlage gestört werden, werden Fusionsreaktoren einfach und ohne externe Hilfe stillgelegt, wie das ITER-Projekt feststellte. Theoretisch verbrauchen die Fusionsanlagen auch nur wenige Gramm Brennstoff gleichzeitig, so dass es zu keinen Kernschmelzen kommen kann.

Beispiellose Herausforderung, große Verzögerungen

Obwohl Fusionsenergie viele potenzielle Vorteile hat, hat sie sich auf der Erde als außerordentlich schwierig erwiesen. Atomkerne benötigen große Mengen an Wärme und Druck, bevor sie miteinander verschmelzen.

Um diese große Herausforderung zu bewältigen, hat ITER das Ziel, den Wasserstoff auf etwa 150 Millionen Grad Celsius zu erhitzen, zehnmal so heiß wie der Kern der Sonne. Dieses überhitzte Wasserstoffplasma wird eingeschlossen und zirkuliert in einem Donut-förmigen Reaktor, der Tokamak genannt wird und von riesigen supraleitenden Magneten umgeben ist, die das elektrisch geladene Plasma steuern. Damit die supraleitenden Magnete funktionieren, müssen sie auf minus 452 Grad F (minus 269 Grad C) gekühlt werden, so kalt wie der interstellare Raum.

Industrieanlagen auf der ganzen Welt stellen 10 Millionen Komponenten für den Reaktor her. Der Reaktor wird oft als das komplizierteste Stück Technik bezeichnet, das je gebaut wurde. Zum Beispiel müssen Magnete, die mehr als 55 Fuß hoch sind (17 Meter), zusammen mit einer Fehlergrenze von weniger als 0,04 Zoll (1 Millimeter) angebracht werden.

"So viele der beteiligten Technologien sind wirklich auf dem neuesten Stand", sagte Bigot. "Wir verschieben die Grenzen in vielen Bereichen - Kryogenik, Elektromagnetik, sogar die Verwendung von riesigen Werkzeugen. Die Kühlung von 10.000 Tonnen supraleitendem Magnetmaterial auf beispielsweise minus 269 Grad ist beispiellos."

Eine wissenschaftliche Partnerschaft von 35 Ländern baut ITER in Südfrankreich. Alle Mitglieder teilen die Technologie von ITER, und sie erhalten gleichberechtigten Zugang zu geistigem Eigentum und Innovationen, die aus diesen Bemühungen resultieren.

Die Idee einer wissenschaftlichen Partnerschaft zum Bau einer Fusionsanlage wurde erstmals 1985 auf dem Genfer Gipfeltreffen zwischen Ronald Reagan und Michail Gorbatschow konzipiert. Das ITER-Projekt begann im Jahr 2007 und sollte ursprünglich in 10 Jahren für 5,6 Milliarden Dollar abgeschlossen sein. Das Projekt liegt jedoch mehr als ein Jahrzehnt hinter dem Zeitplan zurück und seine geschätzten Kosten haben sich auf etwa 22 Milliarden US-Dollar erhöht.

"Als das ursprüngliche ITER-Projekt von den Mitgliedern beschlossen und beschlossen wurde, war ihr Verständnis, dass das Design fast fertig und bereit für den Bau war, und das war nicht einmal annähernd genau", sagte William Madia, Vice President an der Stanford University, der 2013 eine unabhängige Überprüfung von ITER leitete.

Bigot übernahm das schwierige Projekt im Jahr 2015. "Es macht mit Sicherheit bessere Fortschritte", sagte Madia, eine ehemalige Direktorin der nationalen Labors in Oak Ridge und Pacific Northwest, zu Live Science. "Ich bin ein großer Unterstützer und Fan von Bernard Bigot - ich denke, er hat einen guten Job gemacht. In zwei oder vielleicht drei weiteren Jahren, wenn er weiter Fortschritte macht, können wir echte Veränderungen in der Einstellung zu ITER sehen."

Zirkulierendes Plasma

ITER ist jetzt auf halbem Weg zu seinem ursprünglichen Ziel, Plasma zirkulieren zu lassen.

"Es ist definitiv ein großer Meilenstein für uns", sagte Bigot.

Bigot sagte, ITER bleibe im Zeitplan für das erste Plasma im Jahr 2025. "Als wir diesen Zeitplan im November 2015 festlegten, hatten wir viele Skeptiker", sagte Bigot."Dieser Zeitplan hat keinen" Float "oder Kontingenz, was bedeutet, dass es der technisch am besten erreichbare Zeitplan ist. Das heißt, wir arbeiten ständig daran, Risiken zu antizipieren und zu mindern, die zusätzliche Verzögerungen oder Kosten verursachen können. Es ist nicht einfach. Aber in den letzten zwei Jahren "Wir haben jeden Meilenstein erreicht, und wir sind auf dem richtigen Weg. Wir haben auch viel über Teamarbeit gelernt. Das gibt uns Zuversicht, wenn wir die verbleibenden 50 Prozent sehen."

Das Endziel ist natürlich nicht nur das Zirkulieren von Plasma, sondern das Verschmelzen von Deuterium und Tritium, um ein "brennendes" Plasma zu erzeugen, das wesentlich mehr Energie erzeugt, als in das Plasma gelangt. Der ITER-Tokamak sollte 500 Megawatt Leistung erzeugen, während kommerzielle Fusionsanlagen größere Reaktoren beherbergen würden, um 10 bis 15 Mal mehr Strom zu erzeugen. Eine 2.000-Megawatt-Fusionsanlage würde 2 Millionen Haushalte mit Strom versorgen, so eine Aussage.. [Quiz: Die Wissenschaft der Elektrizität]

"Optimistisch werden sie in den 2030ern ein brennendes Plasma bekommen", sagte Madia.

Wenn das Projekt erfolgreich ist, sagen die ITER-Wissenschaftler voraus, dass die Fusionsanlagen bereits im Jahr 2040 in Betrieb gehen werden. Laut Aussage wird eine 2-Gigawatt-Fusionsanlage gebaut, die 60 Jahre oder länger halten soll. Die Investitionskosten für den Bau einer Kernfusionsanlage sollten denen der derzeitigen Kernspaltungsanlagen entsprechen - etwa 5 Milliarden Dollar pro Gigawatt. Gleichzeitig nutzen Kernfusionsanlagen nur Deuterium und Tritium und vermeiden so "die Kosten für den Abbau und die Anreicherung von Uran oder die Kosten für die Entsorgung radioaktiver Abfälle", so Bigot.

Obwohl der Bau einer Kernfusionsanlage mehr kostet als der Bau einer Anlage für fossile Brennstoffe, "sind die Kosten für fossile Brennstoffe sehr hoch und die Brennstoffkosten für die Fusion vernachlässigbar. Wir erwarten daher, dass sich die Anlage über die gesamte Lebensdauer ausdehnt", sagte Bigot.

Gleichzeitig haben fossile Brennstoffe andere Kosten als finanzielle. "Die enormen Kosten fossiler Brennstoffe liegen in den Umweltauswirkungen, sei es aufgrund von Bergbau, Verschmutzung oder Freisetzung von Treibhausgasen", sagte Bigot. "Fusion ist kohlenstofffrei."

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