National Lab schaltet Kernfusion frei – echter Durchbruch, Novelty Act oder beides?

NKernfusion ist seit langem der Heilige Gral wirklich sauberer Energie. Das Zusammenschlagen von Wasserstoffatomen verspricht grenzenlose Elektrizität ohne Kohlenstoffemissionen, ein Minimum an radioaktivem Abfall und keine Chance auf eine katastrophale Kernschmelze. Aber ein halbes Jahrhundert lang waren Fusionswissenschaftler durch die Leistung ihrer Laser und die Stärke ihrer Magnetfelder begrenzt – nie zuvor haben sie herausgefunden, wie sie mehr Energie aus ihrem zertrümmernden Atom herauskitzeln können, als sie hineingesteckt haben. Bis jetzt.

Heute Wissenschaftler an der National Ignition Facility im Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien wird zeigen, dass es ihnen Anfang Dezember zum ersten Mal gelungen ist, einen Energiegewinn von mehr als 1 zu erreichen – das heißt, mehr Energie wurde von den Reaktionen in ihrer Deuterium-Tritium-Brennstoffkapsel emittiert (2,000 Megajoule). als in der enthalten war 192 Laser dass sie es mit gesprengt.

Es ist eine große Sache, die es wert ist, gefeiert zu werden, aber so etwas wie eine ausgemachte Sache, sagt Debra Callahan, eine Plasmaphysikerin, die kürzlich das LLNL-Fusionsteam verlassen hat, um wissenschaftliche Leiterin beim Start zu werden Fokussierte Energie, das bereits an der Kommerzialisierung des Ansatzes arbeitet.

Callahan wusste, dass LLNL einen Nettoenergiegewinn erzielen würde, nachdem sie im vergangenen Jahr eine Energieabgabe von 72 % ihrer Laserenergiezufuhr erreicht hatten. „Das ist keine Überraschung für mich. Angesichts der Pfad der Ergebnisse, die wir gesehen hatten, es würde passieren “, sagt sie. Sie brauchten nur etwas mehr Laserleistung. Wie funktioniert es? Stellen Sie sich einen kleinen Hohlzylinder aus Gold vor, der in Ihre Handfläche passt. Das nennt man die Hohlraum. Im Inneren des Hohlraums befindet sich eine winzige Brennstoffkapsel, in der sich Deuterium- und Tritiumatome befinden.

Sie verwenden Gold, weil es die Röntgenstrahlen enthält, die erzeugt werden, wenn sie beide Enden des Hohlraums mit 173 der stärksten Laser der Welt bestrahlen. Callahan sagt: „Es ist wie ein Röntgenofen“, der den Brennstoff so stark komprimiert, dass er implodiert und eine Fusion zwischen Atomen im Zentrum der Kapsel entfacht. Die Fusion breitet sich dann in einer Welle vom Zentrum aus und strahlt ungeheure Hitze aus. All dies geschieht in einer Milliardstel Sekunde.

Warum hat Callahan LLNL verlassen, als sie kurz vor dem Erfolg standen? Denn, sagt sie, die National Ignition Facility sei keine Fusionsmaschine. Der Hohlraum eignet sich hervorragend, um die Zündung zu demonstrieren, aber er ist nicht unbedingt effizient genug, um eine kontinuierliche gepulste Fusion zu entwickeln, da so viel Restlaserenergie beim Aufheizen des Goldes und nicht des Wasserstoffbrennstoffs verloren geht. Also bei Focused Energy (unterstützt von Prime Mover Lab und Neue Enterprise Associates) ist ihr Plan, den Hohlraum zu verwerfen und stattdessen einen „Direktantriebs“-Ansatz zu verwenden – die Laser direkt auf eine Brennstoffkapsel zu schießen (siehe Schema).

Sie haben noch nicht bewiesen, dass es funktioniert, aber Callahan ist zuversichtlich, dass ihr Pilotprojekt in ein paar Jahren einen 10-fachen Energiegewinn erzielen wird. Darauf folgt eine zweite Anlage mit einem 30-fachen Gewinn, gefolgt von dem, was Ende der 2030er Jahre ihr erster kommerzieller Generator sein würde, der hoffentlich einen 100-fachen Energiegewinn erreichen und 10 Treibstoffkapseln pro Sekunde sprengen würde.

Doch darin lag eine besondere Herausforderung. Bei 10 pro Sekunde würde ihre Maschine fast 900,000 Kapseln pro Tag verbrauchen. Das ist nicht so, als würde man Kohle in einen Hochofen schaufeln; Jede Kapsel müsste nach strengen Standards hergestellt und mit perfektem Timing in die Maschine geschossen werden.

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Ist das realistisch? Einige Fusionskonkurrenten glauben das nicht. General Fusion ist ein in Vancouver, Kanada, ansässiges Fusionsunternehmen, das gestern seinen eigenen Meilenstein bekannt gegeben hat. Sein Ansatz wird als magnetisierte Zielfusion bezeichnet und beinhaltet eine Maschine, bei der sie eine Kugel aus Wasserstoffplasma in die Maschine injizieren und starke Magnete verwenden, um sie zu halten, während sie mit mechanischen Kolben statt mit Lasern komprimiert werden. CEO Greg Twinney erwartet, dass die Pilotanlage, die General Fusion in Großbritannien baut, die Fusion im Jahr 2027 demonstrieren wird, wobei das kommerzielle Design Anfang der 2030er Jahre fertig sein wird. „Wenn wir Nachrichten wie diese sehen, sind wir nicht überrascht“, sagt er. Aber der Ansatz des LLNL kann nicht auf eine funktionierende Fusionsanlage extrapoliert werden, was General Fusion (unterstützt durch 300 Millionen US-Dollar von Jeff Bezos, ShopifyGESCHÄFT
CEO Tobias Lütke und Temasek) haben sich von Anfang an vorgenommen. „Alles, was wir tun, ist auf ein kommerzielles Kraftwerk ausgerichtet“, sagt er. „Wenn es in einem wissenschaftlichen Experiment funktioniert, aber nicht kommerziell ist, interessiert uns das nicht.“

Die LLNL-Nachrichten erzeugten eine ähnliche Reaktion von CEO David Kirtley vom in Seattle ansässigen Fusion-Startup Helion, unterstützt von 600 Millionen US-Dollar von den Tech-Tycoons Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman und Jeff Skoll. „Wir freuen uns, dass sie ihre wissenschaftlichen Meilensteine ​​für ihre Maschine erreicht haben“, sagt Kirtley. Aber er fühlt sich nicht bedroht von „einem Forschungsgerät, das nicht dazu bestimmt ist, Strom zu erzeugen“. Im Gegensatz dazu beinhaltet der Betrieb der 60 Fuß langen Fusionsmaschine von Helion das Injizieren von Plasmakugeln an jedem Ende, die sie in einer 100-Millionen-Grad-Reaktion zusammenschlagen, die von intensiven Magnetfeldern gesteuert wird. In Helions neuartigem System drückt die bei den Fusionsreaktionen freigesetzte Energie kontinuierlich gegen sein magnetisches Eindämmungsfeld, das zurückstößt – was Schwingungen „wie ein Kolben“ verursacht, sagt Kirtley, die einen elektrischen Strom erzeugen, den Helion direkt aus dem Reaktor auffängt. (Mehr dazu lesen Sie weiter Faradaysches Induktionsgesetz.)

Helion baut seinen siebten Prototyp und entwirft seinen achten, von dem Kirtley hofft, dass er der erste kommerzielle Fusionsgenerator sein wird – möglicherweise bis Ende dieses Jahrzehnts an das Stromnetz angeschlossen, wenn alles gut geht. Er sagt, die Nuklearaufsichtsbehörden des Bundes dürften ihre Maschine den gleichen Regeln unterwerfen wie Teilchenbeschleuniger und die Art von Bildgebungsgeräten, die in Krankenhäusern verwendet werden.

Und es gibt viele andere Unternehmen, die den etabliertesten Fusionsansatz verfolgen – die Tokamak Konzept, bei dem Plasmakugeln in eine Reaktorkammer injiziert werden, die wie ein hohler Donut geformt ist, gesteuert durch starke Magnetfelder. Commonwealth-Fusion, ein MIT-Spin-off, versucht, den Tokamak zu perfektionieren, indem er Ultrahochtemperatur-Supraleitermaterialien verwendet, von denen CEO Bob Mumgaard glaubt, dass sie es ihnen ermöglichen werden, bis zum Ende des Jahrzehnts ein funktionierendes Fusionsgerät zu haben. Gleiches gilt für General Atomics aus San Diego (am besten bekannt für die Erfindung der Predator-Drohne), die seit Jahrzehnten einen Tokamak für das Energieministerium betreibt und eine neue Maschine konstruiert. GA baute auch den wohl stärksten Magneten der Welt, den so genannten Zentralmagneten, für das weltweit größte Fusionsprojekt überhaupt, das 30 Milliarden US-Dollar ITER in Frankreich im Bau. Wenn es nach den anderen Fusions-Startups geht, wird ITER veraltet sein, bevor es irgendwann im nächsten Jahrzehnt überhaupt fertiggestellt ist. GA (im Besitz des Milliardärs Neal Blue) ist eine Partnerschaft mit dem Savannah River National Lab eingegangen, um Brennstoffpellets für laserbasierte Fusionsmaschinen wie LLNR und Focused Energy herzustellen.

Mit wem auch immer Sie auf dem Gebiet der Fusion sprechen, ihre Kritik an lang etablierten Kernspaltungsreaktoren ist dieselbe. Spaltungsreaktionen (bei denen große Atome von angereichertem Uran auseinandergebrochen werden) ergeben radioaktiven Abfall, einschließlich Plutonium und gefährliche Aktinide, die als Waffe verwendet werden können. Im Gegensatz zur Fusion, die schwer zu starten und leicht zu stoppen ist, sind Spaltungsreaktionen leicht zu starten und schwer zu stoppen, was das Risiko katastrophaler Kernschmelzen mit sich bringt. Neuere Designs, wie die Westinghouse AP1000 Spaltreaktoren, die sowohl in den USA als auch in China im Bau sind, verfügen über passive Sicherheitsmaßnahmen und sind praktisch kernschmelzsicher.

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Einige Atomunternehmer denken, dass die Kernspaltung ausreicht. Bret Kugelmass, Gründer und CEO von Letzte Energie, machte sich vor fünf Jahren daran, den effizientesten und wirtschaftlichsten Kernreaktor der Welt zu entwickeln. Bevor er sich für seinen Ansatz entschied, interviewte Kugelmass, jetzt 36, Hunderte von Experten der Nuklearindustrie (und legte die Gespräche auf seine Titans of Nuclear-Podcast), um das kollektive Wissen der Branche zu sammeln. Obwohl er an die langfristige Zukunft der Fusion glaubt, stellte Kugelmass fest, dass die weltweit beste Wahl für den Übergang von fossilen Brennstoffen darin liege, modulare Spaltreaktoren auf die einfachste, billigste und sicherste Weise zu bauen. In seiner Fabrik in der Nähe von Houston stellt Last Energy jetzt seine ersten kleinen, modularen Druckwasserreaktoren her, die handelsübliche Komponenten verwenden, die über bestehende nukleare Lieferketten bezogen werden, mit einer Technologie, die über Jahrzehnte perfektioniert wurde und in mehr verwendet wird mehr als 300 Reaktoren weltweit.

Last Energy hat bereits 10 seiner 20-Megawatt-Einheiten an einen Kunden in Polen verkauft, zwei weitere an Rumänien und eine Handvoll an Großbritannien. Kugelmass sagt, sein geistiges Eigentum liege nicht in den bewährten Komponenten, sondern darin, wie man sie alle zusammenfügt. Er hat bisher 24 Millionen Dollar gesammelt, angeführt von Gigafund, und erwartet, dass die ersten Reaktoren in Polen im Jahr 2025 in Betrieb gehen. Um die Maschinen zu finanzieren, schließt Last Energy langfristige Stromabnahmeverträge ab, die den Kunden jahrzehntelange kohlenstofffreie Kernenergie zu Preisen unter dem Marktpreis versprechen. „Wir konnten eine begehrenswerte Nische erobern, die niemand anstrebte“, sagt Kugelmass. „Wir haben die gesamte Operation in einer Blackbox erfasst.“

So verlockend das Fusionsversprechen auch sein mag, wenn es nach Kugelmass geht, könnten die Wettbewerbsrealitäten der etablierten, zuverlässigen Kernspaltung ihren angesagten neuen Cousin doch in den Mülleimer heroischer Tech-Flops verbannen – erinnern Sie sich an Betamax, Google Glass und New Coke?

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