Fünf grundlegende Technologien, die eine Fusionsindustrie brauchen wird

Fusionsenergie braucht mehr als eine anhaltende Fusionsreaktion, bevor sie der Welt helfen kann, ausreichend COXNUMX-neutrale Energie zu produzieren. Das US-Energieministerium hat eine Forschungs- und Entwicklungsagenda für eine Reihe von Technologien und Prozessen zur Ermöglichung der Fusion festgelegt.

Zwei DOE-Beamte nannten fünf dieser Presstechnologien in a Webinar Donnerstag veranstaltet von den National Academies of Science, Engineering and Medicine (NASEM). Weitere werden in einem NASEM 2021 behandelt berichten das drängt auf eine schnelle Entwicklung von fusionsfähigen Technologien:

„Obwohl dies oft auf die Zukunft verschoben wird, treibt das Ziel einer wirtschaftlichen Fusionsenergie innerhalb der nächsten Jahrzehnte als strategisches Interesse der USA die Notwendigkeit voran, die Forschung und Entwicklung von Grundmaterialien, Komponenten und nuklearen Fusionstechnologien schnell zu steigern.“

Zu den fünf hervorgehobenen Donnerstagen gehören:

1 Fusionssichere Materialien

Das Plasma, in dem die Fusionsreaktion stattfindet, kann sein heißer als die Sonne. Ein starkes Magnetfeld oder Trägheit kann das Plasma einschließen und es von Reaktorwänden und -komponenten abschirmen, aber Fusionsreaktoren benötigen dennoch Materialien, die extremer Hitze und Bombardierung durch Neutronen standhalten können, die freigesetzt werden, wenn Wasserstoffisotope in Helium umgewandelt werden.

Um potenzielle Materialien zu testen, müssen Wissenschaftler Bedingungen erzeugen, die einer Fusionsreaktion ähneln.

„Es besteht ein dringender Bedarf an einer fusionsprototypischen Neutronenquelle, um die Materialdaten sammeln zu können, was viele Jahre dauern kann“, sagte Scott Hsu, Lead Fusion Coordinator des DOE. Während sich diese Neutronenquelle in der Entwicklung befindet, fügte er hinzu, können maschinelles Lernen und Materialtests dazu beitragen, die Anzahl der Kandidatenmaterialien einzugrenzen.

Es besteht auch die Möglichkeit, Materialien vollständig zu vermeiden, indem „wirklich transformative erste Wand- und Deckendesigns verwendet werden, bei denen möglicherweise nicht einmal ein festes Material dem Plasma zugewandt ist, und das das Problem der Materialien fast umgeht“, sagte Hsu. „Und wir müssen diese Ideen auf dem Tisch halten.“

2 Ein Tritiumbrüter

Die gängigsten Fusionsreaktorkonstruktionen verwenden zwei Wasserstoffisotope – Deuterium (²H) und Tritium (³H) – als Brennstoff.

„Wenn wir einen Deuterium-Tritium-Brennstoffkreislauf verwenden wollen, müssen wir die Wärme extrahieren und Tritium züchten“, sagte Richard Hawryluk, leitender technischer Berater im DOE Office of Science und Vorsitzender des NASEM-Berichts 2021 .

„Eine besondere Herausforderung ist die Notwendigkeit, den Brennstoffkreislauf sicher und effizient zu schließen“, heißt es in diesem Bericht, „was für Auslegungen der Deuterium-Tritium-Fusion die Entwicklung von Decken zum Züchten und Extrahieren von Tritium sowie das Betanken, Absaugen, Einschließen, Extrahieren und Trennen von Tritium in erheblichen Mengen.“

3 Ein Abgassystem

Ein Teil der unergründlichen Wärme, die bei einer Fusionsreaktion entsteht, wird zur Stromerzeugung verwendet, aber zuerst muss sie verwaltet werden, und Ihr Standard-Küchenventilator reicht nicht aus.

„Ein vollständiges Forschungsprogramm wird Testeinrichtungen erfordern, die Umgebungen erzeugen, die immer mehr einem Fusionskraftwerk ähneln, um die reaktorrelevante Leistungsabgashandhabung in der Fusionsneutronenumgebung zu bewerten“, heißt es im NASEM-Bericht.

4 Effizientere Laser

Die National Ignition Facility (NIF) des DOE feierte im Dezember einen lang ersehnten Erfolg, als sie eine Fusionsreaktion auslöste, die mehr Energie freisetzte (3.15 Megajoule) als die Strahlen des Lasers, der sie zündete (2.05 Megajoule). Aber es brauchte 300 Megajoule, um den Laser anzutreiben.

Letztendlich werden solche Laser nach ihrer Inbetriebnahme mit Strom aus dem Fusionsreaktor betrieben. Effizientere Laser bedeuten jedoch effizientere Reaktoren, wodurch mehr Energie für den Benutzer oder das Netz übrig bleibt.

5 Wiederholung

Es reicht nicht aus, dass der Laser effizient ist. Es muss auch weniger wie eine Muskete, sondern eher wie ein Maschinengewehr funktionieren.

„Das wunderbare Ergebnis bei NIF“, sagte Hawryluk, „wir haben diesen Punkt erreicht, indem wir ein paar Aufnahmen pro Jahr gemacht haben. Man muss in der Lage sein, ein paar Schüsse pro Sekunde oder einen Schuss pro Sekunde zu machen, also ist es auch die Wiederholungsrate, die wir beherrschen müssen.“

Das erhöht die Wiederholrate für jeden Prozessschritt, angefangen bei der Brennstoffkapsel. Laut der Zeitschrift Wissenschaft, „Eine Million Kapseln pro Tag müssten hergestellt, gefüllt, positioniert, gesprengt und weggeräumt werden – eine enorme technische Herausforderung.“

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