Könnten leistungsstarke Laser billige Fusionsenergie freischalten?

22/09/2024 16:44

Tief unter der Wüste Nevada in den 1980er Jahren führten die USA geheime Atomwaffenforschung durch.
Unter den Experimenten war ein Versuch zu sehen, ob die Kernfusion, die Reaktion, die die Sonne, könnte auf der Erde in einer kontrollierten Umgebung entzündet werden.
Die Experimente wurden klassifiziert, aber es war unter Physikern weithin bekannt, dass die Ergebnisse vielversprechend waren.
Dieses Wissen erregte die Aufmerksamkeit von zwei jungen Doktoranden, die Ende der 2000er Jahre am Los Alamos National Laboratory arbeiteten, Conner Galloway und Alexander Valys.
Das Labor von Los Alamos wurde ursprünglich 1943 als streng geheimer Standort eingerichtet, um die ersten Atomwaffen zu entwickeln.
Das Hotel liegt in der Nähe von Santa Fe, New Mexico, ist es jetzt eine US-Regierung Forschungs-und Entwicklungseinrichtung.
Als Alex und ich von diesen Tests bei Los Alamos erfuhren, war unsere Reaktion wie wow, Trägheitsfusion hat bereits funktioniert!.
Die Pellets im Labor wurden entzündet, die Details wurden klassifiziert, aber genug wurde veröffentlicht, dass wir wussten, dass die Zündung erreicht wurde, sagt Herr Galloway.
Die Kernfusion ist der Prozess des Zusammenfügens von Wasserstoffkernen, der immense Mengen an Energie erzeugt.
Die Reaktion erzeugt Helium und nicht den langlebigen radioaktiven Abfall des Spaltprozesses, der in bestehenden Kernkraftwerken verwendet wird.
Wenn die Fusion genutzt werden kann, dann verspricht sie reichlich Strom, ohne CO2 zu erzeugen.
Diese Tests in den 1980er Jahren führten dazu, dass die US-Regierung die National Ignition Facility (NIF) in Kalifornien baute, ein Projekt, um zu sehen, ob Kernbrennstoffpellets mit einem leistungsstarken Laser entzündet werden könnten.
Nach mehr als einem Jahrzehnt Arbeit haben Ende 2022 Forscher am NIF einen Durchbruch erzielt.
Wissenschaftler führten das erste kontrollierte Fusionsexperiment durch, um mehr Energie aus der Reaktion zu erzeugen als die von den Lasern, die sie entzündeten.
Während Physiker auf der ganzen Welt über diesen Durchbruch staunen, hatte es die Wissenschaftler bei NIF viel länger als erwartet genommen.
Sie waren hungernd, sagt Herr Galloway.
Er meint nicht, dass sie mehr Snacks brauchten, stattdessen war der NIF-Laser nur mächtig genug, um das Brennstoffpellet zu entzünden.
Herr Galloway und Herr Valys sind der Ansicht, dass leistungsfähigere Laser es ermöglichen werden, eine funktionierende Fusionsreaktion aufzubauen, die Strom in das Stromnetz liefern kann.
Dazu gründeten sie Xcimer mit Sitz in Denver.
NIF musste sich mit einem Laser begnügen, der zwei Megajoule Energie auspumpen konnte.
Herr Galloway und Herr Valys planen, mit Lasern zu experimentieren, die bis zu 20 Megajoule Energie liefern können.
Wir glauben, dass 10 bis 12 [Megajoule] der süße Ort für ein kommerzielles Kraftwerk ist, sagt Herr Galloway.
Ein solcher Laserstrahl würde die Brennstoffkapsel mit einem starken Schlag treffen.
Es wäre, als würde man die Energie eines 40-Tonnen-Gelenklastwagens mit einer Geschwindigkeit von 60 mph nehmen und für ein paar Milliardstel Sekunden auf die Zentimeter große Kapsel konzentrieren.
Leistungsstärkere Laser ermöglichen es Xcimer, größere und einfachere Brennstoffkapseln als NIF zu verwenden, was es schwierig fand, sie zu perfektionieren.
Xcimer schließt sich Dutzenden anderen Organisationen auf der ganzen Welt an, die versuchen, einen funktionierenden Fusionsreaktor zu bauen.
Es gibt zwei Hauptansätze.
Die Zerkleinerung eines Brennstoffpellets mit Lasern fällt unter die Kategorie der Trägheitsbindungsfusion.
Der andere Weg, als magnetische Einschließung Fusion bekannt, verwendet starke Magnete, um eine brennende Wolke von Atomen, genannt Plasma zu fangen.
Beide Ansätze haben gewaltige technische Herausforderungen zu bewältigen.
Wie extrahiert man insbesondere die während der Fusion erzeugte Wärme, so dass man damit etwas Nützliches tun kann, wie z.B. eine Turbine antreiben, um Strom zu erzeugen?
Ich nehme an, meine Skepsis ist, ich habe noch nicht einmal ein überzeugendes konzeptuelles Diagramm gesehen, wie Sie den Prozess der Energiegewinnung verwalten, während Sie die Fusionsreaktion am Laufen halten, sagt Prof. Ian Lowe an der Griffith University in Australien.
Er hat seine lange Karriere in der Energieforschung und -politik verbracht.
Während Prof. Lowe die Entwicklung der Fusionstechnologie unterstützt, argumentiert er nur, dass ein funktionierender Fusionsreaktor nicht schnell genug kommt, um die CO2-Emissionen zu senken und den Klimawandel zu bekämpfen.
Meine Sorge ist, dass selbst die optimistischste Ansicht ist, dass die Ehe glücklich wäre, bis 2050 kommerzielle Fusionsreaktoren zu haben.
Und lange vorher müssen wir die Energieversorgung dekarbonisiert haben, wenn wir den Planeten nicht schmelzen würden, sagt er.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Fusionsreaktion hochenergiehaltige Partikel produziert, die Stahl oder jedes andere Material, das den Reaktorkern säumt, degradieren.
Diejenigen in der Fusionsindustrie leugnen nicht die technischen Herausforderungen, sondern fühlen, dass sie überwunden werden können.
Xcimer plant, einen Wasserfall aus geschmolzenem Salz zu verwenden, der um die Fusionsreaktion fließt, um die Wärme zu absorbieren.
Die Gründer sind zuversichtlich, dass sie die Laser feuern und die Brennstoffkapseln (eine alle zwei Sekunden) ersetzen können, während sie den Fluss am Laufen halten.
Der Fluss von geschmolzenem Salz wird auch dick genug sein, um hohe Energiepartikel aufzunehmen, die möglicherweise den Reaktor beschädigen könnten.
Wir haben nur zwei relativ kleine Laserstrahlen, die von beiden Seiten kommen [des Brennstoffpellets].
Sie brauchen also nur eine Lücke im Fluss, die groß genug für diese Balken ist, und deshalb müssen Sie nicht abschalten und den gesamten Fluss einschalten, sagt Herr Valys.
Aber wie schnell können sie ein solches System funktionieren lassen?
Xcimer plant, mit den Lasern zwei Jahre lang zu experimentieren, bevor sie eine Zielkammer bauen, in der sie auf die Brennstoffpellets zielen können.
Die letzte Stufe wäre der funktionierende Reaktor, den sie hoffen, Mitte der 2030er Jahre in das Stromnetz eingesteckt zu werden.
Um die erste Phase ihrer Arbeit zu finanzieren, hat Xcimer $100 Mio. (£77 Mio.) aufgestockt.
Das Geld wird für den Bau einer Anlage in Denver und des Prototypen-Lasersystems verwendet.
Für den Bau eines funktionierenden Reaktors werden Hunderte Millionen Dollar mehr benötigt.
Aber für die Gründer von Xcimer und andere Fusions-Start-ups ist die Aussicht auf billigen, kohlenstofffreien Strom unwiderstehlich.
Sie wissen, es wird die Bahn ändern, was für den Fortschritt der Menschheit möglich ist, sagt Mr. Valys.

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