Wird der jüngste Durchbruch in der Kernfusion zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen? : NPR

Geoff Brumfiel

Die milliardenschwere National Ignition Facility hat 192 Laserstrahlen eingesetzt, um Nettoenergie aus einem winzigen Kernbrennstoffkügelchen zu erzeugen. Damien Jemison/LLNL/NNSA Bildunterschrift ausblenden

Die milliardenschwere National Ignition Facility hat 192 Laserstrahlen eingesetzt, um Nettoenergie aus einem winzigen Kernbrennstoffkügelchen zu erzeugen.

Wissenschaftlern des US-Energieministeriums ist ein Durchbruch bei der Kernfusion gelungen.

Zum ersten Mal überhaupt konnten Forscher in einem Labor durch Fusionsreaktionen mehr Energie erzeugen, als sie zu Beginn des Prozesses benötigten. Die Gesamtleistung betrug etwa 150 % der Leistung, die von 192 Laserstrahlen zugeführt wurde.

„Amerika hat einen enormen wissenschaftlichen Durchbruch erzielt“, sagte Energieministerin Jennifer Granholm auf einer Pressekonferenz.

Der Erfolg wurde in der National Ignition Facility (NIF) erzielt, einem 3,5 Milliarden US-Dollar teuren Laserkomplex am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien. Seit mehr als einem Jahrzehnt kämpft das NIF darum, sein erklärtes Ziel zu erreichen, eine Fusionsreaktion zu erzeugen, die mehr Energie erzeugt als sie verbraucht.

Aber das änderte sich mitten in der Nacht am 5. Dezember. Um 1 Uhr Ortszeit setzten Forscher die Laser ein, um ein winziges Kügelchen Wasserstoffbrennstoff zu zerstören. Die Laser geben 2,05 Megajoule Energie ab und das Pellet setzt etwa 3,15 Megajoule frei.

Es ist ein wichtiger Meilenstein, den die Fusionswissenschaft seit mehr als einem halben Jahrhundert nur schwer erreichen kann.

„In unserem Labor arbeiten wir seit fast 60 Jahren daran“, sagt Mark Herrmann, der das NIF-Programm in Livermore leitet. „Das ist eine unglaubliche Teamleistung.“

Forscher sagen, dass Fusionsenergie eines Tages sauberen, sicheren Strom ohne Treibhausgasemissionen liefern könnte. Aber selbst mit dieser Ankündigung glauben unabhängige Wissenschaftler, dass dieser Traum noch viele Jahrzehnte entfernt ist.

Sofern es keinen noch größeren Durchbruch gibt, ist es unwahrscheinlich, dass die Fusion vor den 2060er oder 2070er Jahren eine große Rolle bei der Stromerzeugung spielen wird, sagt Tony Roulstone, Nuklearingenieur an der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich, der eine wirtschaftliche Analyse der Fusionsenergie erstellt hat.

„Ich finde die Wissenschaft großartig“, sagt Roulstone über den Durchbruch. Es bleiben jedoch noch viele technische Hindernisse bestehen. „Wir wissen nicht genau, wie das Kraftwerk aussehen würde.“

Bei diesem Tempo wird die Fusionsenergie für die Biden-Regierung, die bis 2050 die Netto-Treibhausgasemissionen Amerikas auf Null senken will, nicht früh genug kommen – ein Ziel, das laut Experten erreicht werden muss, um die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels zu vermeiden.

Die Fusionsenergie beflügelt seit langem die Fantasie von Nuklearwissenschaftlern und -ingenieuren. Die Technologie würde durch die „Verschmelzung“ leichter Elemente von Wasserstoff zu Helium funktionieren und so eine enorme Energiemenge erzeugen. Es ist derselbe Prozess, der die Sonne antreibt, und er ist weitaus effizienter als die derzeitige Kernspaltungstechnologie. Darüber hinaus würden Fusionskraftwerke relativ wenig Atommüll erzeugen und könnten mit Wasserstoff betrieben werden, der leicht im Meerwasser vorkommt.

Die zehn Stockwerke hohe NIF-Anlage ist das leistungsstärkste Lasersystem der Welt. Es soll seine 192 Strahlen auf einen winzigen Zylinder aus Gold und abgereichertem Uran richten. Im Inneren des Zylinders befindet sich eine Diamantkapsel, die kleiner als ein Pfefferkorn ist. In dieser Kapsel geschieht die Magie – sie ist mit zwei Wasserstoffisotopen gefüllt, die miteinander verschmelzen können, um erstaunliche Energiemengen freizusetzen.

Wenn die Laser auf das Ziel abgefeuert werden, erzeugen sie Röntgenstrahlen, die den Diamanten in winzigen Sekundenbruchteilen verdampfen. Die Schockwelle der Zerstörung des Diamanten zerquetscht die Wasserstoffatome, wodurch sie verschmelzen und Energie freisetzen.

NIF wurde erstmals 2009 eröffnet, die ersten Laserschüsse blieben jedoch weit hinter den Erwartungen zurück. Der Wasserstoff im Ziel konnte sich nicht „entzünden“, und das Energieministerium hatte für die Milliardeninvestitionen wenig vorzuweisen.

Die Anlage verwendet leistungsstarke Laser, um Brennstoffpellets zu komprimieren. Das Ergebnis ist die Kernfusion, der Prozess, der die Sonne und die größten Atomwaffen der Welt antreibt. Don Jedlovec/LLNL/NNSA Bildunterschrift ausblenden

Die Anlage verwendet leistungsstarke Laser, um Brennstoffpellets zu komprimieren. Das Ergebnis ist die Kernfusion, der Prozess, der die Sonne und die größten Atomwaffen der Welt antreibt.

Dann, im August 2021, gelang es den Physikern nach Jahren langsamer, aber stetiger Fortschritte, den Wasserstoff im Inneren der Kapsel zu entzünden und so eine selbsterhaltende Verbrennung zu erzeugen. Der Prozess sei analog zum Anzünden von Benzin, sagt Riccardo Betti, der leitende Wissenschaftler des Labors für Laserenergetik an der Universität Rochester. „Man beginnt mit einem kleinen Funken, und dann wird der Funke immer größer und größer, und dann breitet sich die Verbrennung weiter aus.“

Diese selbstverbrennende Zündung ähnelt tatsächlich einem Prozess, der dem eines modernen thermonuklearen Sprengkopfs ähnelt, wenn auch in viel kleinerem Maßstab.

Die Vereinigten Staaten haben seit 1992 keine Atomwaffe mehr getestet, und der Hauptzweck der NIF-Anlage besteht darin, sehr kleine Explosionen durchzuführen, die Atomwaffen stark nachahmen. Die Daten dieser winzigen Explosionen werden in komplexe Computersimulationen eingespeist, die Physikern helfen zu verstehen, ob die Atomwaffen des Landes trotz jahrzehntelanger Stilllegung zuverlässig bleiben.

„Wir nutzen diese Experimente, um experimentelle Daten zu erhalten, die wir mit unseren Simulationen vergleichen können“, sagt Herrmann, der im Labor auch die Kernwaffenforschung leitet. Darüber hinaus könne die Strahlung der Explosionen zum Testen von Bauteilen genutzt werden, sagt er. Durch solche Tests wird sichergestellt, dass sich neue und überholte Teile von Atomwaffen wie erwartet verhalten.

Auch nach dem letztjährigen Erfolg gab es noch ein weiteres Ziel zu erreichen: mehr Energie aus der winzigen Kapsel zu erzeugen, als die Laser hineinstecken.

Herrmann sagt, dass der Schuss vom August 2021 der Mannschaft einen Startschuss gegeben habe. „Das hat uns an die Schwelle gebracht“, sagt er. „Wir haben im letzten Jahr tatsächlich große Fortschritte gemacht.“ Stetige Verbesserungen an Lasern, Zielen und anderen Komponenten brachten die Anlage nach und nach in die Lage, endlich Energie aus der Kapsel zu gewinnen.

Wissenschaftler treffen ein Ziel in der Größe eines Radiergummis. Jason Laurea/LLNL/NNSA Bildunterschrift ausblenden

Wissenschaftler treffen ein Ziel in der Größe eines Radiergummis.

„Es ist ein großer wissenschaftlicher Schritt“, sagt Ryan McBride, Nuklearingenieur an der University of Michigan. McBride fügt jedoch hinzu, dass dies nicht bedeute, dass NIF selbst Strom produziere. Zum einen, sagt er, benötigen die Laser mehr als 300 Megajoule Strom, um etwa 2 Megajoule ultraviolettes Laserlicht zu erzeugen. Mit anderen Worten: Selbst wenn die Energie der Fusionsreaktionen die Energie der Laser übersteigt, beträgt sie immer noch nur etwa ein Prozent der gesamten verbrauchten Energie.

Darüber hinaus müssten viele Kapseln immer wieder explodieren, um genug Energie für die Einspeisung in das Stromnetz zu produzieren. „Das müsste man viele, viele Male pro Sekunde machen“, sagt McBride. NIF kann derzeit etwa einen Laserschuss pro Woche durchführen.

Dennoch sei das langfristige Potenzial atemberaubend, sagt Arati Dasgupta, Nuklearwissenschaftler am US Naval Research Laboratory. Während ein riesiger Haufen kohlenstoffspuckender Kohle für wenige Minuten Strom erzeugen könnte, könnte die gleiche Menge Fusionsbrennstoff ein Kraftwerk jahrelang betreiben – ohne Kohlendioxidemissionen. „Das ist eine großartige Demonstration der Möglichkeit“, sagt Dasgupta. Sie fügt jedoch hinzu, dass noch viele technische Probleme bestehen bleiben. „Es ist ein riesiges Unterfangen.“

Und noch schwieriger sei es, aus einem Fusionsreaktor wirtschaftliche Energie zu gewinnen, sagt Roulstone. Er und sein Team untersuchten eine konkurrierende Technologie namens Tokamak und kamen zu dem Schluss, dass es immer noch enorme Herausforderungen gibt, um die Fusion wirtschaftlich zu gestalten. Seine Analyse geht davon aus, dass die Kernfusion nicht vor der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts netzreif sein wird. Er glaubt, dass derselbe Zeitplan auch für die NIF-Technologie gilt. „Es ist nicht ganz einfach zu erkennen, wie man daraus schnell einen Leistungsreaktor machen kann“, sagt er.

Die meisten Klimaexperten glauben, dass die Welt bis dahin bereits drastische Reduzierungen der Kohlenstoffemissionen vorgenommen haben muss, um die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels zu vermeiden. Um die Erwärmung bis zum Ende des Jahrhunderts auf 2,7 Grad Fahrenheit zu begrenzen, muss die Welt ihren Kohlenstoffausstoß bis 2030 nahezu halbieren – ein weitaus kürzerer Zeitraum als der, der für die Entwicklung der Kernfusion erforderlich ist.

Betti stimmt zu, dass der Zeitplan für den Bau einer Fusionsanlage „definitiv Jahrzehnte“ beträgt. Aber, fügt er hinzu, das könnte sich ändern. „Es gibt immer die Möglichkeit eines Durchbruchs“, sagt er. Und die neuen NIF-Ergebnisse könnten dazu beitragen, diesen Durchbruch voranzutreiben. „Sie werden mehr Menschen dazu bringen, sich mit dieser Form der Fusion zu befassen und zu sehen, ob wir daraus ein Energieerzeugungssystem machen können.“

Rebecca Hersher von NPR hat zu diesem Bericht beigetragen.

In einer früheren Version dieser Geschichte wurde Mark Herrmann fälschlicherweise mit der Aussage zitiert, dass das Lawrence Livermore National Laboratory seit fast 16 Jahren an der Kernfusion mit Lasern arbeite. Das Labor arbeitet seit fast 60 Jahren daran.

14. Dezember 2022

In einer früheren Version dieser Geschichte wurde der „Gewinn“ des Fusionsexperiments mit 150 % beschrieben. Die Gesamtleistung der Fusionsreaktion betrug 150 % der von den Lasern zugeführten Leistung, was einem Gesamtgewinn von 50 % entspricht. Die Sprache in der Geschichte wurde aktualisiert, um das Ergebnis zu verdeutlichen.