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DOE bestätigt Meilenstein der Fusionsenergie im kalifornischen Labor

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Die erste Kernfusionsreaktion, die zu einem Netto-Energiegewinn führt, wurde von Wissenschaftlern in einem Labor in Kalifornien erfolgreich abgeschlossen. Dies ist ein Meilenstein in der jahrzehntelangen Suche nach einer Möglichkeit, unbegrenzt Energie ohne Kohlenstoffemissionen oder nuklearen Abfall zu erzeugen.

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Die US-Energieministerin Jennifer Granholm gab die offizielle Ankündigung am 13. Dezember während einer Pressekonferenz im Energieministerium in Washington, D.C. Granholm bestätigte die Nachricht, die zuerst am Sonntag berichtet wurde, als Nachrichtenagenturen wie POWER Quellen zitierten, die besagten, dass Forscher an der National Ignition Facility (NIF) im Lawrence Livermore National Laboratory am 5. Dezember eine Fusionsreaktion erzeugt hätten, die mehr Energie erzeugt als verbraucht habe.

Granholm sagte am Dienstag, das Fusionsexperiment in der NIF habe "bestimmte Bedingungen nachgebildet, die nur in den Sternen und der Sonne zu finden sind." Beamte sagten, die Ergebnisse der Reaktion vom 5. Dezember müssten vor einer offiziellen Bekanntgabe des Durchbruchs analysiert und von Fachleuten geprüft werden, weshalb sie nicht sofort veröffentlicht wurden.

Sagte Granholm: "Mit der Zündung können wir zum ersten Mal bestimmte Bedingungen nachbilden, die nur in den Sternen und der Sonne zu finden sind. Dieser Meilenstein bringt uns der Möglichkeit, unsere Gesellschaft mit kohlenstofffreier Fusionsenergie zu versorgen, einen bedeutenden Schritt näher. So sieht es aus, wenn Amerika eine Führungsrolle übernimmt, und wir stehen erst am Anfang. Wenn es uns gelingt, die Fusionsenergie voranzubringen, könnten wir sie zur Erzeugung von sauberem Strom, Kraftstoffen für den Verkehr, für die Schwerindustrie und für vieles mehr nutzen."

Kernenergieexperten begrüßten die Ankündigung vom Dienstag, räumten aber gleichzeitig ein, dass die Fortschritte beim Nachweis der konzeptionellen Machbarkeit der Fusion nur eine weitere Etappe auf dem langen wissenschaftlichen, technischen und finanziellen Weg zur Kommerzialisierung dieser lange Zeit schwer fassbaren Technologie sind.

"Die heutige Ankündigung der Sekretärin des US-Energieministeriums, Jennifer Granholm, markiert einen neuen Meilenstein in der jahrzehntelangen Tradition amerikanisch geführter Energieinnovationen", sagte Josh Freed, Senior Vice President für das Klima- und Energieprogramm. "Der Durchbruch bei der Kernfusion zeigt die Vitalität und Dynamik des amerikanischen Ökosystems für saubere Energie. Die politischen Entscheidungsträger sollten sich auf Investitionen in Innovationen stützen, um technologische Durchbrüche in einer Reihe von Technologien voranzutreiben, die für das Erreichen von Netto-Null entscheidend sein werden. Jeder Fortschritt, den wir in diesen Forschungsbereichen erzielen, schafft strategische Vorteile, die die Wettbewerbsfähigkeit der USA auf dem Weltmarkt stärken und das Wirtschaftswachstum im Inland ankurbeln werden.

Freed fuhr fort: "Amerikanische nationale Laboratorien haben schon immer nach den Sternen gegriffen, und die heutige Ankündigung zeigt, dass dies nicht nur theoretisch, sondern auch realisierbar ist. Das ist ein Grund zum Feiern."

Technisches Wunderwerk

"Dies ist sehr wichtig, denn aus energetischer Sicht kann es sich nicht um eine Energiequelle handeln, wenn man nicht mehr Energie herausbekommt, als man hineinsteckt", sagte Julio Friedmann, leitender Wissenschaftler bei Carbon Direct und ehemaliger leitender Energietechnologe bei Lawrence Livermore, gegenüber CNN. "Frühere Durchbrüche waren wichtig, aber das ist nicht dasselbe wie die Erzeugung von Energie, die eines Tages in größerem Maßstab genutzt werden könnte."

Der Direktor des Büros für Wissenschaft und Technologie des Weißen Hauses, Dr. Arati Prabhakar, sagte während der Pressekonferenz am Dienstag: "Dies ist ein erstaunliches Beispiel für Amerikas Unternehmungsgeist ... Ich möchte dem gesamten Energieministerium unter der Leitung von Ministerin Granholm gratulieren." Prabhakar nannte die Fusions-Netzenergiereaktion "ein technisches Wunderwerk"

Prabhakar sagte: "Es ist ein Jahrhundert her, dass wir herausgefunden haben, dass die Kernfusion in unserer Sonne und allen anderen Sternen stattfindet. Und in diesem Jahrhundert waren so viele verschiedene Fortschritte nötig, die letztendlich zu dem Punkt führten, an dem wir diese Fusionsaktivität in einem Labor replizieren konnten."

Jill Hruby, Unterstaatssekretärin für nukleare Sicherheit im DOE und Verwalterin der National Nuclear Security Administration, sagte, dass es bei der Arbeit an der Kernfusion weitere "Durchbrüche" und "Rückschläge" geben werde Hruby sagte, die Arbeit ihrer Behörde konzentriere sich darauf, "die nationale Sicherheit zu fördern" und gleichzeitig "eine saubere Energiezukunft voranzutreiben." Sie nannte die Ankündigung vom Dienstag "beispiellos" für die wissenschaftliche Gemeinschaft.

Der Prozess der Fusion

Der Prozess der Kernfusion funktioniert, wenn die Kerne zweier Atome extremer Hitze von mehr als 100 Millionen Grad Celsius - das sind 180 Millionen Grad Fahrenheit - ausgesetzt werden. Dadurch verschmelzen die Atome zu einem neuen, größeren Atom, das gewaltige Mengen an Energie freisetzt. Es ist derselbe Prozess, der auch die Sonne und die Sterne antreibt.

Allerdings verbraucht dieser Prozess auch enorme Mengen an Energie. Ein Ziel der Fusionswissenschaftler ist es, den Prozess autark zu machen und vor allem mehr Energie aus dem Prozess zu gewinnen, als er verbraucht - also Nettoenergie zu erzeugen. Ein weiteres Ziel ist es, dass der Prozess kontinuierlich und nicht nur für kurze Momente funktioniert.

Das Erreichen dieser Ziele könnte zur Kommerzialisierung der Kernfusion führen, was nach Ansicht von Branchenexperten innerhalb des nächsten Jahrzehnts geschehen könnte, obwohl sie einräumen, dass es auch länger dauern könnte. Was viele Forscher begeistert, ist das Potenzial, einen praktisch unbegrenzten Vorrat an kohlenstofffreier Energie zu erzeugen, was zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen könnte - und zwar ohne den bei den heutigen Spaltungsreaktoren anfallenden Atommüll.

"Die Tatsache, dass wir in der Lage waren, mehr Energie herauszuholen, als wir hineingesteckt haben, beweist, dass dies möglich ist", sagte Mark Herrmann, Programmdirektor für Waffenphysik und -design im Livermore-Labor. "Es kann weiter ausgebaut und verbessert werden und könnte in der Zukunft eine Energiequelle sein."

Viele Schritte sind nötig

Die erfolgreiche Erzeugung von Nettoenergie ist jedoch nur einer von vielen Schritten, die erforderlich sind, um das Versprechen der Kernfusion einzulösen. Die durch die Fusion erzeugte Energie müsste geerntet und dann in Form von Elektrizität in das Stromnetz eingespeist werden. Viele Wissenschaftler sind auch nach der Ankündigung vom Dienstag der Meinung, dass es noch Jahre (manche sagen Jahrzehnte) dauern wird, bis die Fusion unbegrenzte Mengen an sauberer Energie erzeugen kann.

Tony Roulstone, Nuklearingenieur an der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich, erklärte gegenüber NPR (National Public Radio), dass die Kernfusion wahrscheinlich erst in 40 bis 50 Jahren eine wichtige Rolle bei der Stromerzeugung spielen wird, wenn keine größeren Fortschritte erzielt werden.

"Ich denke, die Wissenschaft ist großartig", sagte Roulstone, der eine wirtschaftliche Analyse der Fusionsenergie durchgeführt hat. "Wir wissen nicht wirklich, wie das Kraftwerk aussehen würde"

Irina Tsukerman, eine geopolitische Analystin und Präsidentin von Scarab Rising, einem in New York ansässigen Beratungsunternehmen, erklärte gegenüber POWER, dass "die Fusionsforschung eine bessere PR [Öffentlichkeitsarbeit] braucht. Sie wird extrem unterschätzt. Bislang lag der Schwerpunkt im Energiebereich vor allem auf klimarelevanten Anwendungen wie der Reduzierung von Kohlenstoffemissionen. Es gibt kein breites kommerzielles Bewusstsein für potenzielle Fusionsanwendungen ... daher gibt es keinen nennenswerten Anreiz für den privaten Sektor, Ressourcen für diese Art von Forschung bereitzustellen, wenn der allgemeine gesellschaftliche Druck bei anderen Energiearten liegt."

Tsukerman sagte, dass "Stereotypen im Zusammenhang mit der Kernenergieforschung im Allgemeinen" ebenfalls ein limitierender Faktor für Investitionen in die Fusionsforschung gewesen seien. "Wenn die Kernfusion als 'sexy', sicher und verbreitet angesehen wird, wird sie sich durchsetzen, so wie alles, was als trendy und aufregend angesehen wird, dies bisher getan hat Sie fuhr fort: "Es besteht auch ein großer Bedarf an nichtstaatlichen Akteuren, um diesen Bereich zu finanzieren und die Forschung im Allgemeinen zu diversifizieren."

Globale Forschung

In den USA, im Vereinigten Königreich und in Europa laufen mehrere Fusionsprojekte. In Frankreich befindet sich der Internationale Thermonukleare Versuchsreaktor (ITER), ein Programm, an dem 35 Länder beteiligt sind. Zu diesen Ländern gehören die USA, China, die Europäische Union, Russland, Südkorea, Japan und Indien.

Ein Großteil der Arbeit in den USA findet in der NIF in Lawrence Livermore statt, einem riesigen, 10 Stockwerke hohen Gebäude von der Größe dreier amerikanischer Fußballfelder. Das NIF wurde 2009 eröffnet, aber viele Beamte stellten die Milliarden von Dollar in Frage, die in das Projekt geflossen sind, das die so genannte thermonukleare Trägheitsfusion" erforscht Die Wissenschaftler feuern Pellets mit Wasserstoff-Brennstoff (mit zwei Wasserstoff-Isotopen) in eine Reihe von 192 Lasern, die im Wesentlichen eine Reihe von sehr schnellen, wiederholten Explosionen mit einer Rate von 50 Mal pro Sekunde erzeugen. Die aus den entstehenden Neutronen und Alphateilchen gewonnene Energie wird in Form von Wärme abgeleitet, da die Wasserstoffisotope miteinander verschmelzen und dabei enorme Energiemengen freisetzen.

"Im Gegensatz zu Kohle braucht man nur eine kleine Menge Wasserstoff, der im Universum am häufigsten vorkommt", sagte Friedmann gegenüber CNN. "Wasserstoff kommt im Wasser vor, so dass der Stoff, der diese Energie erzeugt, unbegrenzt vorhanden und sauber ist."

Im August 2021 gelang es den Physikern von Lawrence Livermore, den Wasserstoff in der Kapsel zu "zünden", wodurch eine sich selbst erhaltende Verbrennung entstand. Riccardo Betti, der Leiter des Labors für Laserenergetik an der Universität von Rochester in New York, erklärte gegenüber NPR, dass der Prozess mit dem Anzünden von Benzin vergleichbar sei. "Man beginnt mit einem kleinen Funken, und dann wird der Funke größer und größer und größer, und dann breitet sich die Verbrennung aus

Forscher im Rahmen des ITER-Projekts und Wissenschaftler im Vereinigten Königreich arbeiten mit Tokamaks, großen kreisförmigen Maschinen, die mit riesigen Magneten ausgestattet sind, um das gleiche Ergebnis zu erzielen wie ihre amerikanischen Pendants. Der Tokamak schließt das Plasma mithilfe von Magnetfeldern in einer Donut-Form ein, die die Wissenschaftler Torus nennen. Nachdem Brennstoff in einen Tokamak eingefüllt wurde, werden die Magneten eingeschaltet. Die Temperaturen im Inneren werden exponentiell erhöht, um Plasma zu erzeugen. Das Plasma muss mindestens 150 Millionen Grad Celsius erreichen, was zehnmal heißer ist als der Kern der Sonne. Die Neutronen entweichen dann aus dem Plasma, treffen auf eine so genannte "Decke", die die Wände des Tokamaks auskleidet, und geben ihre kinetische Energie als Wärme ab.

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