Die Einweihung der leistungsstärksten Fusionsmaschine der Welt bringt den Traum von sauberer, sicherer und reichlich vorhandener Energie näher.
In der ostjapanischen Stadt Naka steht ein sechs Stockwerke hoher Turm, der alles andere als ein gewöhnliches Gebäude ist.
Das Gerät im Inneren der zylindrischen Stahlkonstruktion wird Tokamak genannt. Es ist darauf ausgelegt, wirbelnde überhitzte Gase, sogenannte Plasmen, mit einer Temperatur von bis zu 200 Millionen Grad Celsius zu halten – mehr als zehnmal heißer als der Kern der Sonne.
Wichtiger Meilenstein
Der nordöstlich von Tokio gelegene Tokamak stellt den nächsten Meilenstein in einem jahrzehntelangen internationalen Bemühen um die Verwirklichung der Fusionsenergie dar und spiegelt die führende Rolle der EU und Japans wider.
Die Naka-Struktur, bekannt als JT-60SA, ist das Ergebnis eines EU-Japan-Abkommens Vereinbarung ab 2007 zur Entwicklung der Fusionsenergie. Es ist der leistungsstärkste Tokamak der Welt und wurde im Dezember 2023 nach fast einem Jahrzehnt Bauzeit eingeweiht.
„Die Inbetriebnahme von JT-60SA ist ein sehr wichtiger Meilenstein“, sagte Professor Ambrogio Fasoli, ein italienischer Physikexperte, der ein Konsortium leitet, das EU-Mittel erhalten hat, um die Aussichten für kommerzielle Energie aus der Fusion voranzutreiben.
Angerufen EUROfusionDie Partnerschaft vereint rund 170 Labore und Industriepartner aus 29 Ländern. Die Teilnehmer stellen Hardware und Personal für JT-60SA zur Verfügung.
Fusionsenergiereaktoren wie JT-60SA reproduzieren Prozesse, die in der Sonne und anderen Sternen ablaufen. Durch die Verschmelzung von Wasserstoffatomen zu Helium und einem Neutron, die Energie in Form von Wärme freisetzen, haben sie das Potenzial, eine sichere, saubere und nahezu unerschöpfliche Energiequelle zu erzeugen.
Keine Spaltung
Fusion ist die Umkehrung der Kernspaltung, dem Prozess, der das Herzstück traditioneller Kernkraftwerke ist. Während bei der Spaltung ein schweres Atom in zwei leichte Atome geteilt wird, werden bei der Fusion zwei leichte Atome zu einem größeren verbunden.
Im Gegensatz zur Kernspaltung entsteht bei der Fusion kein langlebiger Atommüll und es besteht keine Gefahr einer Kernschmelze oder einer Kettenreaktion.
Die Erforschung der Kernfusion begann in den 1920er Jahren, als ein britischer Astrophysiker namens Arthur Eddington die Energie von Sternen mit der Fusion von Wasserstoff zu Helium in Verbindung brachte.
Ein Jahrhundert später, als sich der Klimawandel verschärft und Länder auf der ganzen Welt nach Alternativen zu den fossilen Brennstoffen suchen, die ihn verursachen, ist die Verlockung der Kernfusion so groß wie eh und je.
Es bleiben jedoch erhebliche Hindernisse bestehen. Dazu gehören die technischen Herausforderungen beim Bau von Reaktoren, deren Wände nicht durch die extreme Hitze im Inneren schmelzen, die Suche nach den besten Materialmischungen für die Fusionsproduktion und die Begrenzung der Strahlung von Materialien im Reaktorinneren.
Neue Nr. 1
EU-Energiekommissarin Kadri Simson nahm vor fünf Monaten an der Einweihung des JT-60SA in Naka teil.
Der 600 Millionen Euro teure Reaktor wurde gemeinsam von einer EU-Organisation namens Fusion for Energy (F4E) und Japans National Institutes for Quantum Science and Technology, auch bekannt als QST, gebaut.
Als es für aktiv erklärt wurde, beanspruchte JT-60SA den Titel des größten Tokamaks von einer 40 Jahre alten Anlage im Vereinigten Königreich namens Joint European Torus (JET).
JT-60SA wird über eine Heizleistung von bis zu 41 Megawatt verfügen, verglichen mit 38 MW bei JET.
„Wir haben die Maschine eingeschaltet und sie funktioniert“, sagte Guy Phillips, Abteilungsleiter für JT-60SA bei F4E. „Es ist uns gelungen, die größte Plasmamenge aller Zeiten in einem solchen Gerät zu produzieren, was eine großartige Leistung ist. Aber das war nur der erste Schritt und wir haben noch viel Arbeit vor uns.“
Sprungbrett
JT-60SA wird in die Arbeit am nächsten geplanten Tokamak einfließen: ITER, das weltweit größte Fusionsexperiment.
ITER ist doppelt so groß wie JT-60SA und wird auf einem 180 Hektar großen Gelände in Südfrankreich gebaut.
F4E verwaltet den europäischen Beitrag zu ITER, an dem 33 Länder beteiligt sind, sowie zu JT-60SA, dessen geplante Lebensdauer etwa 20 Jahre beträgt.
Sobald bestätigt ist, dass die Kernsysteme von JT-60SA funktionieren, wird der Reaktor für zwei bis drei Jahre planmäßig abgeschaltet, während ein externes Heiz- und Stromversorgungssystem hinzugefügt und andere aufgerüstet werden.
„Wenn wir mit der nächsten Betriebsphase beginnen, werden wir in der Lage sein, mit der Plasmaproduktion viel weiter zu gehen und verschiedene Konfigurationen zu verstehen“, sagte Phillips.
Wissensaufbau
Kontinuität ist ein starkes Merkmal der Fusionsforschung.
Bevor sie ihre Aufmerksamkeit auf JT-60SA richteten, arbeiteten die EUROfusion-Forscher an JET.
Diese Anlage brach ihren eigenen Rekord für die größte von einem Fusionsenergiereaktor erzeugte Energiemenge, bevor dort die letzten Experimente durchgeführt wurden und sie im Dezember 2023 abgeschaltet wurde.
Mit einer Energiemenge von 69 Megajoule in einem 5,2-sekündigen Impuls reichte die Energie schätzungsweise aus, um 12.000 Haushalte mit Strom zu versorgen.
„Der Fusionsenergierekord bei JET ist eine unglaublich starke Erinnerung daran, wie gut wir Fusionsreaktionen auf der Erde mittlerweile beherrschen“, sagte Fasoli.
Blick nach vorn
Angesichts der Bedeutung des Fachwissens auf diesem Gebiet führen sowohl EUROfusion als auch F4E Programme durch, um zukünftige Generationen von Wissenschaftlern für die Kernfusion zu interessieren und auszubilden.
Zwei Faktoren, die das Interesse einiger junger Forscher an der Kernfusion bremsen, sind laut Fasoli das Fehlen unmittelbarer Ergebnisse auf diesem Gebiet und ein indirektes – sowie ungerechtfertigtes – Stigma im Zusammenhang mit der Kernspaltung.
„Dies ist eine generationsübergreifende Anstrengung“, sagte er. „Es besteht Bedarf an Bildung, Ausbildung und Strukturen, die interessierte Menschen halten können.“
Dies sagte Iliana Ivanova, EU-Kommissarin für Innovation, Forschung, Kultur, Bildung und Jugend, auf einer Tagung im März 2024 Ereignis mit Industrievertretern, dass die Zusammenarbeit zwischen privaten und öffentlichen Einrichtungen im Bereich der Fusion von wesentlicher Bedeutung ist, um die Demonstration der Fusionsstromerzeugung zu beschleunigen.
Ziel ist es, größere Industrieakteure sowie Start-ups in den Übergang vom Labor zur Fertigung – dem sogenannten Lab to Fab – einzubeziehen.
Das bedeutet laut Fasoli, den Unternehmergeist und die industrielle Leistungsfähigkeit des Privatsektors mit dem Ehrgeiz und Realismus des öffentlichen Sektors zu verbinden.
Er sagte, dass Fusionsenergie in den 2050er Jahren Realität werden könnte.
„Solange wir alle in die gleiche Richtung rudern, halte ich diesen Horizont noch für vernünftig“, sagte Fasoli. „Das bedeutet, dass alle zusammenarbeiten müssen.“
Dieser Artikel wurde ursprünglich in veröffentlicht Horizont das EU-Forschungs- und Innovationsmagazin.