Fusion: Bemühungen um “Sonnenkraft”-Nutzung gewinnen Boden

Bald “kleine” Fusionsreaktoren?

Wissenschaftler, Privatunternehmen, Investoren und Regierungen seien zunehmend zuversichtlicher, dass kleinere Fusionsenergiesysteme kürzer vor der Verwirklichung ständen als je zuvor, schreibt Nathanial Gronewold in E&E Climatewire. Die Fusionsenergie, von Beobachtern lange Zeit als theoretische Technologie abgetan, die für immer 50 Jahre entfernt war, gewinne an Fahrt. Der Bau eines riesigen Versuchsreaktors für mehreren Milliarden Euro in Südfrankreich schreite zwar voran, aber kleine Fusionsfirmen Investoren versprächen, dass sie weit billigere Anwendungen bauen könnten, die schon in den 2030er Jahren für die kommerzielle Nutzung bereit sein könnten.

Laut Andrew Holland, Direktor des US-Verbandes der Fusionsindustrie, haben seine Mitgliedsunternehmen kürzlich “ernsthaftes Geld” aus dem Privatsektor für ihre Forschungs- und Entwicklungsbemühungen eingesammelt. Neue Fortschritte im Supercomputing ermöglichten den Unternehmen bessere Modellierungen der Entwürfe, und die Verbreitung von Hochleistungssupraleitern mit höheren Temperaturen erlaube leistungsfähigere Fusionsreaktorentwürfe zu einem Bruchteil der bisherigen Kosten. Holland wörtlich: “Wir haben noch nicht bewiesen, dass die Fusion funktioniert, aber wenn wir das schaffen, dann werden wir einen viel schnelleren Weg zu kommerzieller, regulatorischer und gesellschaftlicher Akzeptanz haben. Unsere Mitgliedsunternehmen betreiben definitiv intensive Forschung und Entwicklung, aber sie sind zuversichtlich, dass es funktionieren wird; es ist nur eine Funktion von Geld, Zeit und ein bisschen Glück.” Die Fusionsindustrie habe sich von der theoretischen hin zur technischen Forschungs- und Entwicklungsarbeit, ein Zeichen für ihre Zuversicht, Fusionsreaktionen anzufahren und zu kontrollieren. Jetzt wollen ihre Entwürfe für die entsprechenden Vorrichtungen zu perfektionieren.

Einzelprojekte

  • Mit dem Projekt Internationaler Thermonuklearer Versuchsreaktor (ITER) werde in Südfrankreich eine Anlage errichtet, mit der kontrollierte Fusionsreaktor-Experimente im Kern eines riesigen, kranzförmigen Tokamaks durchgeführt werden könnten. Holland zufolge investieren nur zwei seiner Mitgliedsunternehmen in kleinere Tokamak-Konstruktionen. Andere arbeiten an billigeren, kompakteren Konzepten, die auf Trägheitsfusionsgeräten mit Lasern oder supraleitenden Magneten beruhen. Erste Anzeichen für den neuen Schwung hätten sich Ende letzten Jahres gezeigt, als die Regierung Großbritanniens einen Zuschuss von fast 270 Millionen Dollar zur Unterstützung neuer britischer Fusionsexperimente angekündigt habe.
  • Das Culham Centre for Fusion Energy (CCFE) in der Nähe von Oxford bereite sich darauf vor, bis Ende 2020 neue Fusionsreaktionen in einem Labor ebenfalls in der Nähe von Oxford zu starten. Die Initiative “Sphärischer Tokamak für die Energieerzeugung” des CCFE zielt darauf ab, “ein lebensfähiges Fusionskraftwerk zu entwerfen, das bis 2040 betriebsbereit sein könnte”, heißt es auf der Website des Zentrums.
  • Wendelstein 7-X (W7-X), die vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) betriebene Fusions-Experimentieranlage in Greifswald , hat als Hauptkomponente einen sopgenannten Stellarator. Mit W7-X sollen die physikalischen und technischen Grundlagen untersucht sowie die prinzipielle Kraftwerkstauglichkeit von Kernfusionsreaktoren des Stellarator-Typs demonstriert werden; für eine nennenswerte Freisetzung von Fusionsenergie ist diese Anlage nicht vorgesehen. Kernstück ist ein kreisförmiger Magnetfeldkäfig mit einem Radius von 5,5 Metern, der das 100 Millionen Grad heiße Plasma einschließt. Dieser Käfig besteht aus einem Kranz von 50 supraleitenden, etwa 3,5 Meter hohen Magnetspulen aus Niob-Titan. Die Masse des eingeschlossenen Plasmas beträgt nur 5 bis 30 Milligramm, die sich auf ein Volumen von etwa 30 Kubikmeter verteilen. Die Anlage ist neben dem Large Helical Device in Japan die weltweit größte Forschungsanlage vom Typ Stellarator. In der Anlage wurde Ende 2015 das erste Helium-Plasma, Anfang 2016 das erste Wasserstoff-Plasma erzeugt. Um ein flexibles Experimentieren zu ermöglichen, verwendet Wendelstein 7-X im Gegensatz zu ITER und den für die Zukunft geplanten Kernfusionsreaktoren kein Gemisch aus Deuterium und radioaktivem Tritium, sondern in der ersten Experimentphase ein Plasma aus reinem Wasserstoff. (nach de.wikipedia.org/Wendelstein_7-X)
  • Auch die US-Regierung nehme das Potenzial ernster: Im April habe das Energieministerium (DOE) Mittel in Höhe von 32 Millionen Dollar angekündigt, um F&E-Anstrengungen bei 15 verschiedenen “kostengünstigeren Fusionskonzepten” zu unterstützen, so die Behörde. Die Mittel werden über die Abteilung Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) des DOE im Rahmen des Programms “Breakthroughs Enabling Thermonuclear Fusion Energy” zur Verfügung gestellt. Programmdirektor Scott Hsu sagte, es gebe wichtige Unterschiede zwischen der Unterstützung des DOE für die Fusion und der laufenden Überwachung der Entwicklung der modularen Spaltreaktortechnologie durch die Abteilung. Die modulare Kernspaltung sei näher an der technischen Realität, sagte Hsu, aber er fügte hinzu, dass die Energieerzeugung mit Fusionsreaktoren nicht mehr nur der Stoff der Science-Fiction sei. Hsu charakterisierte die Fusionsenergie als “weit über die reine Theorie hinausgehend, aber noch nicht reif für die Kommerzialisierung”.
  • Unternehmen in den Vereinigten Staaten, dem Vereinigten Königreich und Kanada bemühen sich aktiv um öffentliche und private finanzielle Unterstützung. Ein weiteres privates Fusionsenergieunternehmen in China ist ebenfalls dabei, Geld zu beschaffen. In Japan werden die Bemühungen hauptsächlich von der Regierung geleitet, das Nationale Institut für Fusionswissenschaften, das neue Wissenschaftler rekrutiert, verzeichnet einen Anstieg der Aktivitäten.
  • Der niederländische Verband vertritt 22 private Fusionsenergieunternehmen. Die meisten von ihnen haben das Ziel, die Fusion zur Stromerzeugung zu verwirklichen, während einige andere nach anderen kommerziellen Möglichkeiten suchen, wie z.B. Raumfahrtantriebe.
  • Der Verband der Fusionsindustrie hoffe, Energieministerium und Parlament mit einer öffentlich-privaten Partnerschaft zu gewinnen, die sich an der Beziehung der NASA zu privaten Raumfahrtunternehmen orientiere. Fusionsfirmen könnten mit staatlicher Unterstützung die Zeitspanne zwischen F&E-Bemühungen und Kommerzialisierung verkürzen, argumentierte Holland. Seine Mitgliedsunternehmen fühlten
  • sich angesichts der Dringlichkeit des Klimawandels ebenfalls unter Druck gesetzt, sagte er. Holland sagte voraus, dass die Technologie innerhalb der 2020er Jahre ein erfolgreiches wissenschaftliches Demonstrationsprojekt erreichen und dann zu einem kommerziell tragfähigen Demonstrationsprojekt übergehen werde. “Sie wollen sicherstellen, dass sie sich in einem Zeitrahmen bewegen, der für die Klimakrise und für Investoren relevant ist”, sagte Holland. “Das bedeutet eine Kapitalrendite innerhalb von 10 Jahren, und es bedeutet, dass in den 2030er Jahren auf sinnvolle Weise Strom ins Netz eingespeist wird”.

Laut Hsu vom DOE sei der neue Schub, der die Forschung für kleinere Anwendungen der Fusionsenergie vorantreibe, nicht das Ergebnis schwindenden Vertrauens in ITER, das auch die US-Regierung unterstützt. ITER strebe an, bis Ende 2025 “das erste Plasma” zu erreichen, sei aber strikt als ein groß angelegter Versuchsreaktor konzipiert, der keinen Strom für das Stromnetz erzeugen würde. Er schloss sich dem holländischen Argument an, dass die Fusionselektrizitätstechnologie im kleineren Maßstab nicht mehr “immer 50 Jahre entfernt” ist. “Die ARPA-E erforscht und unterstützt viele Fusionskonzepte und Komponententechnologien mit höherem technischem Risiko und hohem Nutzen, die, wenn sie erfolgreich sind, zu transformativen Fortschritten führen könnten, die einen schnelleren Übergang zu einem marktgerechten, kommerziellen Fusionsenergiesystem ermöglichen”, sagte Hsu.

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