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Kernfusion: US-Forscher montieren HTSC-Magneten

17.09.2021 | 08:30 Uhr | Michael Söldner, Peter Müller

Starker Magnet: In den USA ist es Forschenden gelungen, den Energieverbrauch des Magneten für einen Fusionsreaktor deutlich zu senken.

Schon lange gilt die Kernfusion als potenzielle Möglichkeit, um umweltfreundlich Energie zu erzeugen. Doch bislang gelang es schlichtweg nicht, dieses neue Verfahren wirtschaftlich durchzuführen. Die schon in den 1950er Jahren gelegten Grundsteine wurden zwar stetig weiter erforscht, doch noch konnte keiner der Reaktoren energieeffizient betrieben werden.

Die gängigen Experimente setzen auf magnetischen Einschluss des Plasmas: In einem verdrehten Torus (Stellerator) oder einem Donut-förmigen (Tokamak) halten starke Magnetfelder das Plasma fest, in dem Wasserstoffkerne (genauer: die Isotope Deuterium und Tritium) zu Heliumkernen verschmelzen sollen. Im Tokamak fließt zudem im Plasma ein Strom, dessen Magnetfeld wiederum dabei hilft, das Plasma einzusperren. Daher ist die Geometrie des letzteren etwas einfacher gehalten. Problem beider Typen: Die äußeren Magnetfelder müssen extrem stark sein, wofür eine hohe elektrische Energie benötigt wurde, die bisher die Energieausbeute durch Fusion weit überstieg. (Tokamak ist ein Akronym des russischen "toroidalnaja kamera w magnitnych katuschkach", was "Toroidale Kammer in Magnetspulen“ bedeutet . "Tok" steht dazu noch für "Strom")

Hochtemperatursupraleiter weisen den Weg

In Zusammenarbeit mit dem Plasma Science and Fusion Center (PSFC) des Massachusetts Institute of Technology ist es dem Commonwealth Fusion Systems (CFS) nun gelungen, einen ausreichend starken Magneten zu produzieren, der deutlich weniger Energie benötigt. Möglich machen das Spulen aus Hochtemperatursupraleitern (HTSC), die unter einer bestimmten Temperatur (in der Größenordnung von minus 170 Grad Celsius) den Strom verlustfrei leiten. Damit sind bei gegebener Leistung höhere Ströme möglich und damit stärkere Magnetfelder.

Im Vergleich zu früheren Magneten verbraucht der neue Magnet nur ein Siebtel der Energie. Damit wäre es zumindest denkbar, einen Tokamak-Reaktor wirtschaftlich zu betreiben.  Die neuen Magneten sollen nun in einer Testanlage namens SPARC eingesetzt werden. Diese soll jedoch erst 2025 in Betrieb gehen. In den Zwanzigern könnte auch der europäische Versuchsreaktor ITER (ebenso ein Tokamak) in Betrieb gehen, bei Greifswald läuft das Wendelstein-X-Experiment mit einem Stellarator

Laut CNBC sind sich die PSFC-Forscher sicher, schon in naher Zukunft einen saubere, nachhaltige und immer verfügbare Energiequelle anzapfen zu können. Der Optimismus ist ein wenig verfrüht, ein wichtiger Durchbruch ist der Magnet, der ein Feld von 20 Tesla Stärke erzeugen kann, aber schon.

Mehr als nur eine Methode

In diesem Sommer hatte eine andere Art eines Fusionsexperiments für Aufsehen gesorgt, mit Röntgenlasern war es Forschenden am  Lawrence Livermore National Laboratory gelungen , Wasserstoffpellets zu "zünden". Die Energieausbeute betrug hier 70 Prozent der investierten, was einen großen Fortschritt bedeutete, da bis dato nur drei Prozent der Energie in Form schneller Neutronen, die bei der Fusion frei werden, rückgewonnen wurde.

Sollte die Fusion dereinst gelingen, hat sie zweifelsfrei Vorteile. Der wesentliche Rohstoff Deuterium (Wasserstoff mit je einem Proton und einem Neutron im Kern) ist in den Weltmeeren schier unendlich vorhanden. Radioaktiver Abfall entsteht dennoch, wenn auch nicht in einem so großen Ausmaß wie bei Spaltungsreaktoren. Die von den schnellen Neutronen getroffenen Wände des Reaktors werden mit der Zeit jedoch radioaktiv und zum Problemmüll.

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