Tokamak legt nach: JET liefert neuen Rekord

Letzte Woche ging es an dieser Stelle um die neuesten Resultate aus der Trägheitsfusion, die einiges an Presserummel verursacht hatten. Heute ist die magnetische Kernfusion an der Reihe und es ist davon auszugehen, dass der Presserummel ähnlich groß wird.

Zunächst einmal geht es also um Kernfusion als Prozess zur Energiegewinnung: verschmelzen leichte Atomkerne miteinander, so wiegt das Produkt weniger als die Ursprungskerne. Die freigewordene Bindungsenergie wird als Bewegungsenergie abgegeben, also als Wärme, und zwar in der Höhe der Massendifferenz gemäß E = mc2. Damit die Kernfusion einsetzt, muss man die Atomkerne sehr nahe zusammenbringen, da die starke Wechselwirkung, welche den Kern zusammenhält, nur eine sehr kurze Reichweite hat. Die positiv geladenen Atomkerne stoßen sich jedoch ab, also braucht man sehr viel Energie. Soviel Energie, dass die Materie im Plasmazustand vorliegt.

Abb. 1: Links 4 Protonen, rechts ein Heliumkern, der offensichtlich weniger wiegt als die 4 einzelnen Kernbausteine (dieses ist eine vereinfachte Darstellung des pp-Prozesses, der in der Sonne abläuft). Die fehlende Masse ist als Bewegungsenergie freigeworden.
Bild: Alf Köhn, CC BY-SA 4.0.

Es gibt verschiedene Ansätze für die kontrollierte Fusion, den der Trägheitsfusion, wie es beispielsweise mit Lasern in der National Ignition Facility NIF umgesetzt wird, hatten wir letzte Woche diskutiert. Entscheidend bei allen Ansätzen ist das Tripelprodukt aus Plasmadichte, Plasmatemperatur und Energieeinschlusszeit. Letztere Größe entspricht in etwa der Zeit, welche das Plasma zusammen bleiben würde, wenn man die Energie-zuführenden Quellen abschaltet. Während man bei der Trägheitsfusion eine wahnsinnig hohe Dichte erreicht, dafür nur extrem kurze Einschlusszeiten hat, geht die magnetische Kernfusion einen anderen Weg: moderate Dichten und Temperaturen, dafür lange Einschlusszeiten (Achtung, wenn ich hier von „moderaten“ Temperaturen rede, so meine ich immer noch ca. 100 Mio. Grad, also 10mal heißer als im Zentrum der Sonne). So liegt der Druck in einem magnetischen Fusionsplasma im Bereich des Atmosphärendrucks, bei der Trägheitsfusion ca. 100 Mrd. Größenordnungen darüber.

Die Idee bei der magnetischen Kernfusion ist, dass man sich eine grundlegende Eigenschaft des Plasma zu nutze macht: es besteht aus geladenen Teilchen und lässt sich somit durch einen Magnetfeldkäfig einschließen. Man erzeugt ein torusförmiges Magnetfeld, entsprechend der Form eines Donuts oder Treckerreifens und schließt in diesem das heiße Plasma ein. Dabei gibt es zwei verschiedene Arten ein solchen Magnetfeldkäfig zu kreieren: den Tokamak und den Stellarator. Ersterer ist die besser erforschte Variante, in ihm wird ein Teil des einschließenden Magnetfeldes durch einen Strom im MA Bereich im Plasma selbst erzeugt. Dieser Strom wird anfangs über den Transformator – Effekt getrieben, das Plasma stellt dabei die Sekundärwicklung dar, später dann durch Prozesse im Plasma selbst erzeugt (um die Bedingung zu umgehen, dass man ansonsten ständig eine externe Spannung herauf- oder herunterfahren müsste, um eben einen Strom zu induzieren). Der Stellarator erzeugt das Magnetfeld komplett durch externe Spulen. Was als Vorteil klingt, hat allerdings den Nachteil einer komplizierten Umsetzung, da die Form der Spulen nun nicht mehr, wie beim Tokamak, im wesentlichen 2-dimensional ist, sondern kompliziert 3-dimensional (siehe Wendelstein W7-X). Daher ist es auch nicht verwunderlich, dass der Tokamak eine Maschinengeneration weiter ist als der Stellarator.

Abb. 2: Fusionsrelevanter Kerzenhalter (Form eines typischen Kernfusionsexperiments nach dem Prinzip des magnetischen Einschluss).
Bild: Alf Köhn-Seemann, CC BY-SA 4.0.

JET ist der größte aktuell in Betrieb befindliche Tokamak und das einzige Experiment auf der Welt, was mit Deuterium und Tritium betrieben werden kann, dem Brennstoff des Fusionsplasmas der auch in einem Kraftwerk verwendet werden soll (warum das so ist, kann man hier nachlesen). Es gab noch einen zweiten, etwas kleineren und mittlerweile stillgelegten Tokamak, der ebenfalls solche Experimente erlaubte, TFTR. Obwohl an JET bereits 1983 die ersten Experimente stattfanden, ist es immer noch in Betrieb. JET befindet sich im Süden Englands, am Culham Centre for Fusion Energy CCFE, wird aber als europäisches Gemeinschaftsprojekt betrieben und auch so finanziert (daher auch der Name: Joint European Torus JET).

Animierter Flug durch JET, welches ein Plasmavolumen von ca. 80 m^3 hat und ein Magnetfeld von 3,4 T welches durch Kupferspulen erzeugt wird. Video: UKAEA

Performance oder Erfolg auf dem Weg zum Kraftwerk misst man in der Fusionsforschung oft mit dem Q-Faktor, der die durch Fusionsprozesse freigesetzte Leistung vergleicht mit der zur Aufheizung des Plasmas notwendigen Leistung (in dieser Definition auch als Qplasma bezeichnet). Mit einem Q-Wert von ca. 0,67 hält JET hier den Rekord, genauso den Rekord für die freigesetzte Leistung durch Fusion. Wie man aus Abbildung 3 erkennen kann, war dies jedoch kein steady-state Szenario, und damit auch nicht wirklich Kraftwerkstauglich. In der Abbildung ist allerdings auch ein Kraftwerksrelevantes Szenario dargestellt, die Fusionsleistung ist dabei zwar etwas niedriger, dafür befindet man sich in einem steady-state Szenario und die insgesamt erzeugte Fusionsenergie ist mit einem Wert von ca. 22 MJ auch höher.

Abbildung 3: Erzeugte Fusionsleistung (durch DT-Fusion) über die Entladungsdauer, dargestellt sind Rekord-Experimente von TFTR & JET.
Bild: Alf Köhn-Seemann, CC BY-SA 4.0.

Zur Erinnerung, Energie ist gewissermaßen das Vermögen Arbeit zu verrichten, Leistung hingehen ist die Änderung der Energie pro Zeiteinheit. Um eine bestimmte Strecke mit dem Fahrrad zurückzulegen, benötige ich, vereinfacht gedacht, immer die gleiche Energiemenge. Ich kann dieses jedoch langsam machen oder sehr schnell, wobei ich im letzteren Fall eine höhere Leistung aufbringen muss.

JET hält also die Rekorde für die Fusionsleistung, den erreichten Q-Wert und den Rekord für die Fusionsenergie. Diese Rekorde wurden in einer Konfiguration erzielt, die man vor 25 Jahren noch als wahrscheinlichste Variante für ein Kraftwerk hielt. Vor allem dachte man damals noch, Kohlenstoff sei eine gute Wahl für die innere Wand, aufgrund seiner hervorragenden thermischen und mechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus hat Kohlenstoff eine relativ geringe Kernladungszahl, was wichtig ist, sollten Teile der Wand ins Plasma geraten: dieses führt nämlich zu Energie-Verlusten durch Bremsstrahlung, die Elektronen des Plasmas werden dabei im elektrischen Feld des Kerns abgebremst und geben die Energie in Form von Strahlung ab (und die Verluste steigen stark mit der Kernladungszahl). Allerdings hat Kohlenstoff die unangenehme Eigenschaft, Wasserstoff zu binden. Das ist tatsächlich ein großes Problem, da ja Wasserstoff in Form von Deuterium und Tritium (D+T) der Brennstoff unseres Fusionskraftwerks sein soll.

Eine Alternative stellen Wolfram und Beryllium als Wandmaterial da, was noch bessere thermische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Durch die hohe Kernladungszahl hielt man allerdings Wolfram lange nicht für verwendbar in einem Fusionsplasma. Experimente u.a. an dem Tokamak ASDEX-Upgrade in Garching haben jedoch gezeigt, dass man durch geschicktes Anpassen der Plasmakonfiguration, den Eintrag von Wolfram in das Plasma stark reduzieren konnte. Daraufhin wurde in einer langen Umbauphase die innere Wand von JET entsprechend ausgetauscht, bis man auch dort eine Wand hat, wie sie im wesentlichen in ITER verwendet wird (bestehend aus Wolfram und Beryllium). ITER ist der nächste Schritt auf dem Weg zum Fusionskraftwerk und soll das erste mal zeigen, dass mehr Energie freigesetzt werden kann, also zur Aufheizung des Plasma verwendet wurde. JET ist damit das einzige Experimente, dass tatsächlich eine ITER-ähnliche Wand hat. Außerdem wurden in den 25 Jahren seit den Rekord-Resultaten noch die Heizsysteme sowie vor allem die Diagnostik an JET verbessert. Letzter Punkt ist natürlich für alle beteiligten Wissenschafter*innen von großem Interesse.

Abb. 4: Innenansicht von JET mit einer Plasmaentladung (links) überlagert, dabei wird nur im unteren Bereich Strahlung im sichtbaren Bereich emittiert, das restliche Plasma ist so heiß, dass es im Röntgenbereich Strahlung emittiert.
Bild: UKAEA

Experimente mit Deuterium und Tritium sind auch bei JET etwas ganz besonders, da Tritium sehr teuer ist und die innere Wände aufgrund der Neutronen, die während des Fusionsprozesses entstehen, leicht radioaktiv werden (nach Betrieb eines Fusionsreaktor müssten diese zwischengelagert werden für ca. 100 Jahre). Jetzt war es aber wieder soweit, es sollten vorbereitend für ITER Experimente durchgeführt werden und auch die Erfahrung mit D+T Experimenten an junge Wissenschaftler*innen weitergegeben werden. Nach dieser etwas länglichen Einleitung kommen wir nun also endlich zum Punkt: in den neusten Experimenten in JET zeigte sich mit der ITER-artigen Wand eine sehr gute Performance und die Fusionsenergie konnte in einem steady-state Szenario mit einem Wert von 59 MJ einen neuen Rekordwert erreichen. Die Fusionsleistung oder der Q-Wert von 1997 wurde zwar nicht übertroffen – in der neuen Rekordentladung war der Q-Wert ca. 0,33 – aber darum ging es auch nicht. Es sollten ITER- und Reaktor-relevante Szenarien untersucht werden.

Abb. 5: Erzeugte Fusionsleistung der neuen Rekordentladung in JET verglichen mit dem bisherigen Rekordhalter für die insgesamt erzeugte Fusionsenergie.
Bild: Alf Köhn-Seemann, CC BY-SA 4.0

Die Ergebnisse sind somit ein toller Erfolg und bestätigen vor allem die Computermodelle, welche für ITER-Vorhersagen angewendet werden und bestärken, dass man mit ITER auf dem richtigen Weg ist. Gerade die Wahl des Wandmaterials ist essentiell und JET hat jetzt einen wichtigen Beweis geliefert, dass diese Wand auch in einer Fusionsumgebung funktioniert. Jetzt gilt es die gewonnen Daten auszuwerten, was eine ganze Weile für Beschäftigung sorgen sollte, und sicherlich auch ein paar Überraschungen bereithalten wird, da es ansonsten schließlich keine Experimente mit signifikanter Fusionsheizung gibt. Es bleibt also spannend!

Video des offizielles Events zur Verkündung der neuen Resultate von JET.

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Alf Köhn-Seemann hat in Kiel Physik studiert und in Stuttgart über Mikrowellenheizung von Plasmen promoviert. Von 2010 bis 2015 war er dort als Post-Doc tätig. Nach mehreren Forschungsaufenthalten im englisch-sprachigen Raum, arbeitet er von 2015 bis Ende 2017 am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Seit Ende 2017 forscht und lehrt Alf Köhn-Seemann wieder an der Uni Stuttgart.

22 Kommentare

  1. Das Ergebnis vom JET wird sicher auch CFS beruhigen, die bei dem Bau des SPARC Tokamaks mit D-T Fusion sich auf die ITER-Berechnungen verlassen. Dieser Tokamak in Devens/Massachusetts wird dann ab 2025 wohl für einige Jahre der einzige sein, der die D-T-Fusion durchführt, bevor ITER erst ab 2035 damit folgt (laut ITER-Direktor wird ITER wohl ohnehin nicht vor 2027 in den Testbetrieb gehen). Aller Voraussicht nach wird SPARC der erste Tokamak mit Nettoenergieerzeugung des ganzen Systems sein, auch wenn er noch keine Elektrizität produziert.

    • Ja, die Resultate von JET sollten in der Tat auch die Kollegen von CFS beruhigen, völlig richtig. Was den Zeitplan mit SPARC angeht, sind wir alle sehr gespannt und drücken die Daumen, dass das alles so passt, denn er ist schon sehr ambitioniert, aber das heißt ja nicht, dass er nicht einzuhalten ist.

  2. Sehr gut lesbarer und didaktisch wertvoller Artikel, der die Grundlagen der nuklearen Fusion in Plasmen und den Aufbau von Tokamaks und von JET im Besonderen, gut erklärt.

    Im Kern geht es in diesem Beitrag um das jüngste JET- Experiment unter Bedingungen der D-T Fusion, bei dem eine JET Anlage mit denselben Wandmaterialien (Wolfram und Berylium) zum Einsatz kam, die auch bei ITER eingesetzt werden sollen.

    Allerdings ist mir nicht ganz klar inwieweit dieses JET-Experiment für SPARC relevant ist, denn über die bei SPARC geplanten Wandmaterialien ist nichts bekannt oder besser habe ich nichts gefunden.

    Über die bei SPARC geplante Wand des Fusionsrings 🍩 liest man im Artikel Overview of the SPARC tokamak vom 29 September 2020 folgendes (übersetzt von google translate):

    Der Vakuumbehälter ist doppelwandig, mit Raum zwischen den Wänden zum Gasheizen und Kühlen des Behälters. Ungefähr die Hälfte des Raums zwischen den Wänden des Vakuumgefäßes sowie des Raums zwischen dem Vakuumgefäß und den Ringfeldspulen ist mit Neutronenabschirmmaterial gefüllt, um die nukleare Erwärmung der supraleitenden Magnete zu reduzieren. Der Vakuumbehälter hat drei Anschlüsse an jeder toroidalen Stelle, einen Mittelebenenanschluss und ein symmetrisches Paar von außerhalb der Mittelebene liegenden Anschlüssen oben und unten.

    Da steht also nichts von Beryllium oder Wolfram. Mir scheint auch, dass bei SPARC das Wandmaterial lange nicht dieselbe Bedeutung hat wie bei ITER, denn bei SPARC dauern die Fusionsläufe jeweils nur gerade 10 Sekunden (bei ITER bis zu 50 Minuten) . Mir scheint SPARCs Hauptzweck ist die Bestätigung, dass der magnetische Einschluss des Plasmas im Ring und dass die Fusionsbedingungen genau denen entsprechen, die sie vorausberechnet haben, denn nur wenn das zutrifft, können sie den bereits kommerzielle Fusion ermöglichenden Nachfolger von SPARC, ARC genannt, bauen. Entscheidend bei SPARC sind also die mittels REBCO-Spulen erreichten Feldstärken im Plasma und wie gut und mit wie wenig Turbulenzen das erreicht wird. Nur wenn gute Resultate beim Einschluss erzielt werden, kann der Nachfolgereaktor ARC genau so gebaut werden wie schon geplant und nur dann kann man von ARC, dem Nachfolgereaktor also, kommerziellen Einsatz erwarten.

    Dazu kommt noch, dass ITER 10 oder mehr Jahre in Betrieb bleiben soll und dass ITER nur schwer repariert werden kann. SPARC dagegen ist so geplant, dass er ohne Zerstörung in seine Einzelteile zerlegt werden kann, was den Austausch von Einzelteilen erleichtert. Bei SPARC ist sogar denkbar, dass man die Wandmaterialien irgendwann ändert und das innerhalb weniger Wochen. Bei ITER ist das ausgeschlossen. ITER funktioniert entweder oder er funktioniert nicht und muss dann abgeschrieben werden.

    • Meinem Wissensstand nach, ist die Wahl des Wandmaterials bei SPARC noch nicht offiziell festgelegt, siehe diesen Artikel hier: dort steht “Both carbon and tungsten are currently under consideration as the material for plasma-facing components. Ich werde das aber bei nächster Gelegenheit mal erfragen. Sollte es Wolfram werden, so hat man mit den Ergebnissen von JET die Bestätigung, dass high-performance Operationen in DT Betrieb mit dieser Wand möglich sind (auch wenn die Wand in JET natürlich ein wenig anders ist, da Wolfram vor allem im Divertor verwendet wird und Beryllium als Wand, nichtsdestotrotz zeigt es, dass Wolfram möglich ist). Sie haben auch völlig recht, SPARC soll nur kurz in Betrieb sein, da ist vor allem die Langlebigkeit der Wand nicht so sehr von Bedeutung.

      Bei ITER wird auch das remote handling eine wichtige Rolle spielen, vor allem um die Test-Blanketmodule zu tauschen, da geht also schon etwas in Richtung Austausch, aber, klar, wenn die DT Experimente gelaufen sind, wird erstmal nur remote handling möglich sein (und damit lässt sich natürlich nicht alles auswechseln). Für das allererste Testen wird man aber kein DT verwenden, auch kein D, sondern erstmal nur Helium. Danach könnte man dann noch Dinge ändern, falls nötig.

      PS: Ich wusste gar nicht, dass emojis in den Kommentaren möglich sind, ist mir schon bei Ihren letzten Kommentaren aufgefallen, sehr schön 😉

      • Was ich in einem Video gesehen habe, soll die innere Wand des Vakuumbehälters ausschließlich aus Wolfram bestehen bei SPARC, falls das nicht wieder geändert wurde. Da die sehr schnell hintereinander folgende 10 Sekunden Fusions-Pulse planen, ist das wohl sicherer. Ob dabei zur Stabilisierung Wolfram-Fasern eingebracht werden, um der Ablation entgegen zu wirken, weiß ich nicht. Für ARC gibt es schon ein Wand-+Blanket Konzept mit FLiBe mit angereicherten Li6. S. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/00295450.2019.1691400 mit 90% Lithium 6, aber da steht auch nicht alles drin und es könnte sich evtl. noch ändern (FLiBe ist ein Fluorid-Salz von Lithium und Beryllium).

        • Ja, für ARC sieht die Sache in der Tat wieder etwas anders aus, da man dort, wie du es geschrieben hast Stefan, ein Blanket-Modul vorgesehen hat in welchem das Tritium erbrütet werden soll (mittels des in den Blankets enthaltenem Lithium-6 und Neutronen, die aus dem Plasma als Fusionsprodukt kommen). Aber die Voraussetzung für ARC ist zunächst einmal ein erfolgreiches SPARC (was nicht heißt, dass man ARC nicht schon im Detail planen und entwerfen kann, im Gegenteil).

  3. SPARC soll im optimistischen Fall 𝑄≈11 erreichen und eine Fusionsleistung Pfusion von 140 Megawatt abgeben. Die ganze Anlage passt in ein Gebäude von 10 x10x10 Metern. Könnte man die Feldstärke im Plasmaring von den geplanten 12 Tesla auf 24 Tesla erhöhen, genügte gar ein Raum von 5x5x5 Metern. Damit wäre MiniSparc geeignet als Heizungsanlage im Winter. Bei dutzenden von Megawatt Leistung könnte man ein recht grosses Gebäude mit einem MiniSPARC im Keller heizen.. Immer vor der Wintersaison müsste man dann als Brennstoff ein paar Gramm Deuterium und ein paar Gramm Tritium anliefern. Das würde in zwei Rasierschaumdosen mühelos Platz finden und über den Winter mehrere Gigawattstunden Heizleistung bereitstellen.

  4. Die Zeiträume scheinen mir sehr lang.
    Vielleicht ist es an der Zeit das der Privatwirtschaft zu überlassen? Die scheinen ja erheblich schneller und effizienter, wie aktuell schon bei der Raumfahrt sichtbar.

    Andere Frage, wie siehts mit der Auskopplung der Wärme aus, klappt das denn? Ist ja nicht viel Platz zwischen Extrem Kühlung, Stromzufuhr und Wärmeauskopplung.

    • Die Privatwirtschaft ist mittlerweile tatsächlich auch relativ groß eingestiegen in die Fusionsforschung, ca. 3 Mrd Euro an Investorengeldern wurden insgesamt von verschiedenen Firmen und Start-ups eingesammelt. Diese Firmen verfolgen alle leicht andere Ansätze, die fast alle mit einem höheren Risiko verbunden sind als Tokamak oder Stellarator, high risk high gain.

      Die Wärmeauskopplung wird in einem Fusionskraftwerk basierend auf Deuterium und Tritium über die Neutronen ablaufen, die auch in der Fusionsreaktion entstehen: diese Neutronen werden vom Magnetfeld nicht beeinflusst, fliegen also recht schnell an die Wände des Reaktors. Dort erzeugen sie u.a. weiteren Brennstoff (in Reaktion mit Lithium), aber vor allem machen sie die Wandmodule heiß und eine Kühlflüssigkeit transportiert diese Wärme nach außen, wo sie dann eine Turbine antreibt, die dann Strom erzeugt, ganz klassisch sozusagen.

      • @Alf Köhn-Seemann (Zitat): „ und eine Kühlflüssigkeit transportiert diese Wärme nach außen, wo sie dann eine Turbine antreibt, die dann Strom erzeugt, ganz klassisch sozusagen.„
        Sehr gut erklärt. Ja, DEMO(Nachfolger von ITER) und ARC(Nachfolger von SPARC funktionieren als thermische Kraftwerke ganz ähnlich wie Kohle- oder Erdgaskraftwerke.

        Doch, um das für alle noch einmal klarzustellen. Weder ITER noch SPARC erzeugen Strom. Strom aus einem Fusionskraftwerk ist beim Pfad über ITER nicht vor dem Jahr 2050/2060 zu erwarten und Strom aus einem privaten Fusionskraftwerk ist nicht vor dem Jahr 2030/2035 zu erwarten, wobei die erste Jahreszahl der obigen Jahr1/Jahr2 – Angaben jeweils das frühest mögliche Jahr und die zweite Zahl das wahrscheinlichste Jahr angeben.

        • In der Tat ein sehr wichtiger Punkt (Danke für die Erinnerung), der manchmal etwas untergeht und den man daher hier ruhig noch einmal wiederholen: ITER und SPARC werden kein Strom erzeugen, darum geht es bei diesen Experimenten nicht. Das werden dann deren Nachfolge-Experimente machen.

      • “Kühlflüssigkeit ”
        Das ist mir bekannt, meine Frage bezog sich tatsächlich darauf wie da der Stand ist, dazu habe ich nichts gefunden.

        Ein Kraftwerk von sagen wir mal 1000 MW muss ja quasi diese Leistung (zzgl Wirkungsgradverlust) abführen in direkter Nachbarschaft zur “Kelvin” Kühlung der Supraleiter.

        • Ich bin mir nicht sicher, ob ich Ihre Frage richtig verstehe, Matthias: die supraleitenden Magnetfeldspulen umschließen den Torus nicht vollständig, so dass noch genügend Platz zwischen diesen ist um beispielsweise externe Heizquellen, wie Mirkowellen oder auch Kühlleitungen zu verlegen.

    • >>>Vielleicht ist es an der Zeit das der Privatwirtschaft zu überlassen?<<<

      Ich fürchte das Verhalten der Privatwirtschaft funktioniert anders rum. Gerechnet wird in Quartalen und was nicht in spätestens 4 Quartalen einen return of invest verspricht wird gar nicht erst angefangen. Mit der Begrenzung auf solche low hanging fruits ist es leicht den Ruf von Schnelligkeit aufzubauen.

      Nun gut es gibt einige wenige die dank dicker Taschen auch länger laufende Projekte erfolgreich durchziehen, aber bei dem Kapitalbedarf und den Jahrzehnten Forschung bis die Energielieferung und der Gewinn einsetzen sehe ich keine Privatwirtschaft die das leisten könnte.

      • Bezogen auf das Quartalsweise Denken besteht der Trick dann darin, einfach regelmäßig “milestones” zu setzen, wie zum Beispiel das Erreichen einer bestimmten Temperatur im Zentrum des Plasmas, was wissenschaftlich vielleicht nicht sonderlich relevant ist, aber Investorenherzen höher schlagen lässt. Da muss die Firmenleitung eine gute Balance finden.

  5. Zitat Alf Köhn-Seemann:

    Experimente mit Deuterium und Tritium sind auch bei JET etwas ganz besonders, da Tritium sehr teuer ist und die inneren Wände aufgrund der Neutronen, die während des Fusionsprozesses entstehen, leicht radioaktiv werden.

    Ja, In Fusionsreaktoren entstehen sehr hohe Neutronenflüsse. Diese heizen nicht nur die Wände auf (eine Hitze, die Strom liefern kann), sondern sie wandeln auch Wandatome in radioaktive Atome um. Allerdings ist die Halbwertszeit der entstehenden radioaktiven Atome relativ kurz. Relativ kurz mindestens, wenn man das mit der Halbwertszeit des hochradioaktiven Mülls vergleicht, der in Kernspaltungskraftwerken, also konventionellen Atomkraftwerken entsteht.
    Es gilt sogar: Die Neutronen, die in einem Fusionsreaktor entstehen, könnten dafür eingesetzt werden, langlebigen hochradioaktiven Abfall in kurzlebigen hochradioaktiven Abfall umzuwandeln. Diese Umwandlung nennt man Transmutation und Transmutation macht es möglich die Halbwertszeit von radioaktivem Abfall von 300‘000 Jahren auf 300 Jahre zu reduzieren, einfach indem langlebige Atome in kurzlebige aufgespalten werden.

    Nicht nur Kernfusionsreaktoren liefern viele Neutronen, sondern auch bestimmte Formen von Kernspaltungsreaktoren. Und man kann sogar Anlagen bauen, deren Hauptzweck die Umwandlung von langlebigem radioaktiven Abfall in kurzlebigen ist. Der Artikel Die Ewigkeit bekommt ein Ablaufdatum berichtet über einen Forschungsreaktor in Belgien, der genau diesem Zweck dient und der zur Unterstützung dieser Transmutation einen Teilchenbeschleuniger verwendet.
    In diesem Artikel liest man (Zitat einer Aussage von Hamid Ait Abderrahim, dem «Vater» des Myrrha-Projekts):

    «Machen wir uns die Dimension klar. Es gibt radioaktive Abfälle, die 300 000 Jahre strahlen. Sie können diese Abfälle tief in der Erde vergraben, wo sie wahrscheinlich die Menschheit überleben werden. Sie können den Müll aber auch umwandeln und damit seine Menge auf ein Hundertstel reduzieren. Was übrig bleibt, hat nur noch eine Radiotoxizität von 300 Jahren.»

    Was aber bräuchte es um sämtlichen Atommüll Europas zu transmutieren? Hierzu liest man folgendes:

    Für die Zukunft hat sich «Monsieur Nucléaire» einige Gedanken gemacht. Er stellt sich die Gründung eines europäischen Transmutationssektors vor, in dem die Staaten ihre Kräfte bündeln. Und er rechnet vor, dass zur Verarbeitung des Atommülls aus derzeit 144 europäischen Kernkraftwerken eine «Flotte» aus 15 Transmutationsreaktoren notwendig wäre, welche eine Leistung von 6 Gigawatt an thermischer Energie erbringen müsse. Investitionen in der Höhe von 10 bis 15 Milliarden Euro seien für die Industrialisierung dieser Technologie notwendig.

    Persönliche Einschätzung: Die Umwandlung alles langlebigen radioaktiven Mülls in kurzlebigen scheint mir wesentlich sicherer als den Müll in geologische Lager zu bringen, die für viele Jahrtausende von der Umwelt abgeschlossen sein müssen.

    Warum?
    1) Weil radioaktiver Abfall ja auch als Waffe eingesetzt werden kann. Die Terroristen der Zukunft könnten den Abfall in unsern Endlagern für ihre eigenen Zwecke verwenden (Hinweis: ein Endlager muss kein Endlager bleiben, es kann zum Munitionslager werden!)
    2) Weil geologische Lager in mittlerer Tiefe wie sie jetzt geplant sind, durch geologische Kräfte vielleicht doch irgendwann wieder Anschluss an unterirdische Wasserströme bekommen könnten.

    Fazit: Gibt es einmal Fusionsreaktoren, kann langlebiger radioaktiver Müll in kurzlebigen umgewandelt werden. Das gleiche könnte man aber auch mit speziellen Transmutationsreaktoren erreichen. Fusion ist also nicht nötig. Doch KernFusion gibt der Menschheit auf alle Fälle ungeahnte Möglichkeiten.Für die Energiegewinnung, aber auch darüber hinaus.

    • Ein sehr guter Hinweis von Ihnen: tatsächlich sind zum Beispiel in Russland einige Forschungsprojekte damit beschäftigt, Fusionsreaktoren zu verwenden, um genau die Transmutation durchzuführen, die Sie beschrieben haben. Teilweise war die Motivation die Linie des spherical tokamak weiter zu betreiben hierdurch gegeben – vor allem in England und den USA wird der spherical tokamak mittlerweile als Alternative zu einem reinem Tokamak erforscht (ohne die zusätzliche Motivation radioaktiven Abfall zu transmutieren).

      • @Alf Köhn-Seemann (Zitat):

        „ vor allem in England und den USA wird der spherical tokamak mittlerweile als Alternative zu einem reinem Tokamak erforscht (ohne die zusätzliche Motivation radioaktiven Abfall zu transmutieren).“

        Ja. Ich denke, die Transmutation wird ein Nebenprodukt/eine Nebenaktivität erfolgreicher Kernfusionsreaktoren sein. Kernfusion ist so vielversprechend, dass ihr Hauptziel Energieerzeugung ist und sein wird. Wenn dieses Ziel aber erreicht ist, wird man Kernfusion mit Sicherheit auch für andere Dinge einsetzen. Darunter den Antrieb für Raumschiffe und die Transmutation radioaktiven Abfalls. Die Transmutation radioaktiven Abfalls könnte man nebenbei betreiben – während dem Normalbetrieb des Reaktors als Stromquelle also.

        Die USA verfolgen jedenfalls momentan keine geologische Lagerung von radioaktivem Abfall mehr. Vielmehr verwahren sie den hochradioaktiven Abfall aus ihren Kernkraftwerken in von Beton umhüllten zylindrischen Trockenbehältern und warten bis sich eine Technologie entwickelt, die das Problem der Langzeitlagerung auflöst. Die Transmutation mittels speziellen Reaktoren oder aber mittels der Neutronenstrahlung aus Kernfusionsreaktoren könnte das Problem für immer aus der Welt schaffen.

        Kernfusion als Antriebsquelle für Raumschiffe ist allerdings nicht unbedingt auf ein hohes Q, also eine hohe Wärmefreisetzung relativ zur aufgewendeten Energie angewiesen. Dort ist vielmehr wichtig, Kernfusion auf beschränktem Raum und mit beschränkter Anlagenmasse zu realisieren und für den Vortrieb zu nutzen. Deshalb ist das ein eigenes Forschungsgebiet, wo nicht unbedingt der klassische magnetische Einschluss von Tokamaks oder Stellaratoren verwendet wird. Plasmoide erzeugt durch Field Reversed Configuration etwa könnten in der Raumfahrt zum Einsatz kommen.
        Auf den NASA Websites findet man den Vorschlag, eine Fusion Driven Rocket zu realisieren, der mit einem Fusionsreaktor wenig zu tun hat. Siehe dazu The Fusion Driven Rocket: Nuclear Propulsion through Direct Conversion of Fusion Energy

        • Ergänzung zu Fusion Rocket Drive
          Der NASA-Artikel The Fusion Driven Rocket: Nuclear Propulsion through Direct Conversion of Fusion Energy
          schlägt Magnetized Target Fusion als Raketenantrieb vor. Dabei wird ein Plasmoid, also eine in eine rauchringartiges Magnetfeld eingeschossenes Plasma von aussen komprimiert bis Fusionsbedingungen eintreten. Im verlinkten Artikel liest sich das so:

          Mehrere massearme, magnetisch angetriebene Metallauskleidungen werden induktiv angetrieben, um radial und axial zusammenzulaufen und eine dicke Wand zu bilden, die das Zielplasmoid umgibt und das Plasmoid auf Fusionsbedingungen komprimiert.

          Einen ganz ähnlichen Ansatz, allerdings für die Stromerzeugung hier auf der Erde, verfolgt General Fusion mit seiner Magnetized Target Fusion, wobei hier Plasma in den Hohlraum injiziert wird, der von einem Wirbel aus flüssigem Metall gebildet wird. Das Plasma formt ein Plasmoid und wird dann zusammengepresst bis zu Fusionsbedingungen. Das Zusammenpressen erledigen Druckstempel, die auf das flüssige Metall, welches den Hohlraum umgibt, einwirken.

          Übrigens: Keines der Experimente, die bis jetzt mit dem Magnetized Target Fusion Ansatz verfolgt wurden, hat bis jetzt auch nur annähernd Fusionsbedingungen erreicht.

          JET, also der europäische Tokamak in Culham, dagegen hat schon 1991 1.8 Megawatt Fusionsleistung erbracht und 1997 wurden 21.7 Megajoule Fusionsenergie erzeugt.

          Die Experimente am JET wurden dann folgendermassen interpretiert: 1) Höhere Fusionsleistungen erfordern entweder sehr viel grössere Fusionsanlagen oder sehr viel stärkere Magnetfelder 2) Der Nachfolger von JET, nämlich ITER sollte die stärksten Magnetfelder erzeugen, die mit ausgereifter Technologie des Jahres 2000 möglich waren und er sollte so gross sein, dass ein Q von 10 erreicht wird (10 Mal mehr Hitze kommt raus als reingeht).

          Im Jahr 2022 (eigentlich schon 2018) lässt sich nun aber sagen, dass ITERs Technologie der Magnetfelderzeugung veraltet ist und ITER heute mit neuer Magnetfeldtechnologie 10 Mal kleiner sein könnte um die gleiche Leistung zu erreichen wie für das Jahr 2035 (oder später) geplant ist.

  6. Der NZZ Artikel Physiker feiern fünf heisse Sekunden (vereinfachte Version Ein Experiment in Grossbritannien liefert ermutigende Resultate im Hinblick auf den Fusionsreaktor Iter ) vom 12.2.2022 beschreibt das jüngste JET-Experiment aus der Sicht der Fusionsforscherin Athina Kappatou.

    Davon hier eine
    Kurzfassung: JET wurde in jahrelangem Umbau ähnlicher zu ITER gemacht um eine Art Vorstudie für ITER zu ermöglichen. Nicht geändert wurden die Kupferspulen (anstatt supraleitende bei ITER) und die Erwärmung dieser Kupferspule während des Betriebs/Experiments begrenzte die Betriebszeit mit vollem magnetischen Einschluss eines D-T Plasmas und Erzeugen von Fusionen auf 5 Sekunden. Geändert wurde die innere Wand mit nun Beryllium fast überall und Wolfram beim Divertor, der am meisten Hitze ausgesetzt ist. Die Heizleistung (Plasmaheizung) wurde von 24 auf 40 Megawatt erhöht. Unzählige neu installierte Messgeräte vermassen das Plasma während des Experiments in Intervallen von Millisekunden.

    Resultat: Eine fast perfekte Übereinstimmung von Experiment und Simulation und bei der Hochtechnung auf ITER ergibt sich folgendes: “ Die jüngsten Experimente am JET stimmten sie [Athina Kappatou] zuversichtlich, dass das gelinge, sagt Kappatou. Bisher habe man keine K.-o.-Kriterien gefunden.“

    Persönliche Einschätzung: Das hier beschriebene JET-Experiment mit einem 5 Sekunden anhaltenden „Plasmabrennen“ bei ITER-ähnlichen Bedingungen lieferte Messdaten, die zuversichtlich stimmen, dass auch ITER ein Erfolg wird.

    Persönliche Kritik: Der Umbau von JET dauerte mehrere Jahre. Und das für ein einziges 5 Sekunden andauerndes Experiment. Da muss man sich nicht wundern, dass es in der Tokamak-Forschung langsam vorwärts geht.

    • Fusionsforschung in Grossbritannien
      JET, also der Joint European Torus, trägt zwar den Namen Europa im Namen, was allerdings nicht bedeutet, dass JET irgendwo in Europa stehen könnte, denn nur wenige europäische Nationen haben eine aktive Fusionsszene in denen an verschiedenen Universitäten Nukleare Fusion auf dem Programm steht und es Startups gibt, die Fusionsreaktoren kommerzialisieren wollen. Grossbritannien ist ein solches Land und der JET-Forschungsreaktor steht in Culham, im Süden Grossbritanniens eben auch darum, weil in diesem Land Nukleare Fusion aktiv angegangen wird.
      Der BBC-Artikel Nuclear fusion: Five sites shortlisted for UK energy plant verbreitet sogar ungetrübten Optimismus bezüglich nuklearer Fusion, wenn man dort liest:

      Fünf Standorte in England und Schottland befinden sich im letzten Rennen um die Heimat des britischen Prototyps einer Fusionsenergieanlage.
      Die Regierung unterstützt die Pläne für den sphärischen Tokamak zur Energieerzeugung (Step), wobei eine endgültige Entscheidung über seinen Standort für Ende 2022 erwartet wird.
      Es würde Tausende von Arbeitsplätzen schaffen und darauf abzielen, eine „nahezu unbegrenzte“ Quelle kohlenstoffarmer Energie zu erzeugen, sagte die britische Atomenergiebehörde (UKAEA).
      Die Anlage soll Anfang der 2040er Jahre in Betrieb gehen, sagte ein Sprecher.

      Kernfusion: „Eine Frage des Wann, nicht des Ob“
      George Freeman, Minister für Wissenschaft, Forschung und Innovation, sagte: „Fusionsenergie hat das Potenzial, eine wirklich revolutionäre und unerschöpfliche Energiequelle zu sein, die uns helfen kann, unsere Abhängigkeit von unzuverlässigen fossilen Brennstoffen zu verringern und den Klimawandel zu bekämpfen.
      “Indem wir die Grundlagen schaffen, um die Kraft der Fusionsenergie freizusetzen, einschließlich des Standorts des ersten Prototyps eines Fusionskraftwerks in Großbritannien, positionieren wir Großbritannien als weltweit führend in dieser sicheren und nachhaltigen Energiequelle.”

      In Deutschland wäre ein solches Bekenntnis zur Fusionsenergie nie denkbar. Vielmehr schwärmen die deutschen Politiker [etwa Habeck im Februar 2022] eher von Wasserstoff als Zukunft der Speicherung von Wind-und Solarenergie.

      Grossbritannien dagegen hat nicht nur eigene Startups, die Fusionsprojekte verfolgen, etwa Tokamak Energy , sondern es lädt gar ausländische Unternehmen ein, ihre Prototypanlagen bitte doch mit teilweise britischer Finanzierung in Grossbritannien zu bauen, was sich am Beispiel von General Fusion zeigt, einer kanadischen Firma mit Sitz in Vancouver. Im Artikel Plans unveiled for private U.K. fusion reactor powered by ‘smoke rings’ and pneumatic pistons liest man dazu:

      Die Pilotanlage wird mehrere hundert Millionen Dollar kosten und auf dem Campus der britischen Atomenergiebehörde außerhalb von Oxford errichtet werden, wo sich auch das Culham Centre for Fusion Energy befindet, das den Joint European Torus – den weltweit größten funktionierenden Fusionsreaktor – und die United betreibt Kingdom’s Mega Amp Spherical Tokamak Upgrade-Reaktor.

      Die Befürworter von Fusion bejubelten die Ankündigung des 19 Jahre alten Unternehmens, das 300 Millionen US-Dollar aus einer Mischung aus öffentlichen und privaten Quellen gesammelt hat. „General Fusion ist ein wichtiger Akteur in der wachsenden Fusionsindustrie“, sagt Melanie Windridge, Direktorin der Fusion Industry Association in Großbritannien. “Sie haben erhebliche Investitionen für ihr Fusionskonzept mit magnetisierten Zielen aufgebracht, und wir freuen uns darauf, ihre Fusions-Demonstrationsanlage zum Leben zu erwecken.”

      Die britische Firma Tokamak Energy baut mit ihrer 150-köpfigen Mitarbeiterschaft zunehmend mächtigere sphärische Tokamaks, deren aktuellster der teilweise mit REBCO-Magneten betriebene ST-40 ist. In 2025 soll ST-F1 ein Q von 1 (break even) erreichen und 2030 dann ST-E1 kommerziell Energie erzeugen. Tokamak Energy ist eine Ausgründung des Culham Centre for Fusion Energy, was wiederum zeigt, dass Grossbritannien eben nicht zufällig der Sitz des europäischen Tokamaks ist.

      Forschungsinitiativen sind heute noch oft national verankert. Trotz einer internationalen Forschungsszene. Wobei als Nationen etwa die USA, China, Deutschland oder Grossbritannien auftreten. Europa dagegen ist ein Gebilde, das man bis jetzt nicht mit den USA oder China vergleichen kann und tatsächlich zeigt sich immer wieder, dass sich Europa auf seine einzelnen Nationen herunterbrechen lässt.

      • STEP und Tokamak Energy sind beides sehr interessante Projekte und ich bin gespannt, wie es da in den nächsten Jahren weitergeht. Gerade bei STEP hat die Regierung ja großes vor, soll heißen, einiges an Geldern zur Verfügung zu stellen. General Fusion nach England zu locken ist auch sehr geschickt. So stellt man sicher, dass nach dem Ende von JET keine große Leere entsteht, die gerade nicht gefüllt werden kann.

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