Forscher untersuchen die Leistungsfähigkeit einer Fusionspilotanlage zur Stromerzeugung

Die US-Fusionsgemeinschaft hat aktiv zu einer sofortigen Planung einer kostengünstigen Pilotanlage zur Stromerzeugung in den 2040er Jahren aufgerufen. Diese Bemühungen und die damit verbundenen Community-Empfehlungen sind im Bericht 2020 des Fusion Energy Sciences Advisory Committee mit dem Titel „Powering the Future: Fusion & Plasmas“ dokumentiert.

Jetzt hat Jon Menard, stellvertretender Forschungsdirektor am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE), eine detaillierte Studie über die wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen geleitet, denen eine solche Pilotanlage gegenüberstehen wird. Die Studie definiert auch Leistungsanforderungen für eine komplementäre Forschungseinrichtung, die die Gemeinschaft vorschlägt, um wichtige Lücken zu einer Pilotanlage zu schließen.

„Strenge und Einsicht“

„Jon hat Ideen vorangetrieben, um die Kosten und den Umfang der Fusion mit seiner üblichen Strenge und Einsicht zu senken“, sagte PPPL-Direktor Steve Cowley. „Da wir die Lieferung der Kernfusion beschleunigen, wird diese Arbeit immer wichtiger.“

Die dedizierte Forschungseinrichtung würde über eine dauerhaft hohe Leistungsdichte (SHPD) verfügen, um die Herausforderungen der Integration des Pilotanlagenkerns und des Randabgasbereichs anzugehen. Diese Aufgabe wurde von der Community identifiziert und in einer vorgeschlagenen neuen Tokamak-Anlage mit dem Namen „Exhaust and Confinement Integration Tokamak Experiment (EXCITE)“ verkörpert.

Ein SHPD-EXCITE-Gerät könnte die Pilotanlage ergänzen und informieren und ihren Betrieb glätten, sagte Menard, Hauptautor einer umfassenden Analyse in der Zeitschrift Kernfusion die die Leistung verschiedener Pilotanlagendesigns projiziert. „Die Zeitung möchte einen direkten Vergleich zwischen allen Optionen anstellen“, sagte er.

Die Analyse konzentriert sich auf Fusionsanlagen, sogenannte „Tokamaks“, die von kompakten, entkernten apfelförmigen Geräten wie dem National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) bei PPPL bis zu breiteren und weiter verbreiteten Donut-förmigen Anlagen reichen. Das Forschungsgerät würde als Satellit dienen, um Ideen während des Baus und Betriebs der Pilotanlage zu testen. „Es würde sich überschneiden“, sagte Menard.

Riesige Energie

Die Fusion, die Sonne und Sterne antreibt, erzeugt enorme Energie durch die Kombination leichter Elemente in Form von Plasma, dem heißen, geladenen Zustand der Materie, der aus freien Elektronen und Atomkernen oder Ionen besteht. Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen, diese Kraft für eine sichere und saubere Energiequelle zur Erzeugung des weltweiten Stroms nachzubilden.

Die vorgeschlagene Pilotanlage muss die Wärmeabgabe vom hochdichten Plasmakern an die Abgasregion am Rand des Tokamak angehen. „In einer kompakten Hochleistungs-Pilotanlage wäre diese Wärme erheblich, und wir möchten sicherstellen, dass wir verstehen, wie man damit richtig umgeht“, sagte Menard.

Die PPPL-Forschung hat unterschiedliche Modelle der Auswirkungen der Hitze hervorgebracht. „Niemand weiß mit Sicherheit, welches Modell das richtige ist, und es gibt noch keine Maschine, an der man das testen könnte“, sagte Menard. „Deshalb hat die Gemeinde vorgeschlagen, eine Forschungseinrichtung zu bauen, um diese Schlüsselfragen zu untersuchen.“

Weitere Themen, die in der kompakten Pilotanlage entwickelt werden sollen, sind die Notwendigkeit, einen weitgehend selbstgetriebenen Plasmastrom mit dem High-Density-Plasmakern zu integrieren. Die heutigen Tokamaks verwenden einen zentralen Magneten, der als „Solenoid“ bezeichnet wird, um den Strom zu erzeugen, der ein Magnetfeld erzeugt, um das Plasma abzufüllen, damit Fusionsreaktionen stattfinden können. In der kompakten Pilotanlage, die sich die Community vorstellt, wäre jedoch weniger Platz für eine Magnetspule, wodurch ein intern erzeugter Plasmastrom erforderlich wäre.

Design und Bau der EXCITE-Anlage werden die Ankunft der Pilotanlage nicht unbedingt verzögern, solange beide Anlagen flexibel genug sind. „Diese Einrichtungen sollten nicht vollständig seriell sein, sondern sollten sich überschneiden und ihre Rollen sollten klar definiert sein“, sagte Menard. „Der kleinere Tokamak könnte verwendet werden, um Ideen schneller und billiger zu testen, ohne sich mit der nuklearen Umgebung zu befassen, auf die sich die Pilotanlage konzentrieren würde.“

Studien für ITER

Laufende Studien für ITER, der gebaut wird, um die Machbarkeit der Nutzung von Fusionsenergie zu demonstrieren, liefern Beispiele für kooperative Forschungsbeziehungen, sagte Menard. „Das gesamte weltweite Tokamak-Programm betreibt weiterhin Forschung und Entwicklung, um herauszufinden, wie ITER am besten betrieben werden kann“, sagte er. Der internationale Tokamak soll 2025 in Betrieb gehen und 2035 mit voller Leistung in Betrieb gehen.

Menard wies darauf hin, dass ein besonders relevantes Beispiel für die Zusammenarbeit die Implementierung der vollständig metallischen „ITER-ähnlichen Wand“ in der Joint European Torus (JET)-Anlage im Vereinigten Königreich vor über einem Jahrzehnt sei, um zu lernen, wie man ITER mit einer solchen Wand vorher betreibt zum ITER-Betrieb. JET erreichte kürzlich nach umfangreichen Experimenten und Betriebsentwicklungen eine Rekordfusionsenergie mit der ITER-ähnlichen Wand, die letztendlich die Forschung an ITER beschleunigen sollte.

In der Zwischenzeit sucht die US-Fusionsgemeinschaft nach innovativen Wegen, um das Design und die Hauptmerkmale der vorgeschlagenen Pilotanlage zu verfeinern, die in den 2040er Jahren Strom mit geringen Investitionskosten erzeugen würde – eine anspruchsvolle Aufgabe, die die Schließung großer Lücken in der geplanten Fusionsanlage erfordert. „Der nächste Schritt besteht darin, sich allen Herausforderungen zu stellen, denen die Pilotanlage gegenüberstehen wird“, sagte Menard.