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Vom MIT entwickeltes Projekt bringt Fusionsenergie einen großen Schritt voran
Neuer supraleitender Magnet bricht Rekorde bei der Magnetfeldstärke und ebnet den Weg für praktische, kommerzielle, kohlenstofffreie Energie.
Dies war ein Moment, der drei Jahre lang in intensiver Forschungs- und Konstruktionsarbeit vorbereitet wurde: Am 5. September wurde zum ersten Mal ein großer supraleitender Hochtemperatur-Elektromagnet auf eine Feldstärke von 20 Tesla hochgefahren, das stärkste Magnetfeld seiner Art, das je auf der Erde erzeugt wurde. Diese erfolgreiche Demonstration trägt dazu bei, die größte Ungewissheit auf dem Weg zum Bau des weltweit ersten Fusionskraftwerks zu beseitigen, das mehr Energie erzeugen kann, als es verbraucht, so die Projektleiter am MIT und das Start-up-Unternehmen Commonwealth Fusion Systems (CFS).
Dieser Fortschritt, so sagen sie, ebnet den Weg für die lang ersehnte Entwicklung praktischer, kostengünstiger und kohlenstofffreier Kraftwerke, die einen wichtigen Beitrag zur Begrenzung der Auswirkungen des globalen Klimawandels leisten könnten.
"Die Fusion ist in vielerlei Hinsicht die ultimative saubere Energiequelle", sagt Maria Zuber, Vizepräsidentin für Forschung am MIT und E. A. Griswold Professorin für Geophysik. "Die Menge an Energie, die zur Verfügung steht, ist wirklich bahnbrechend. Der Brennstoff, der zur Erzeugung von Fusionsenergie verwendet wird, stammt aus Wasser, und "die Erde ist voll von Wasser - es ist eine nahezu unbegrenzte Ressource. Wir müssen nur herausfinden, wie wir sie nutzen können".
Die Entwicklung des neuen Magneten gilt als die größte technologische Hürde auf dem Weg dorthin; sein erfolgreicher Betrieb öffnet nun die Tür zur Demonstration der Fusion in einem Labor auf der Erde, die seit Jahrzehnten mit begrenzten Fortschritten angestrebt wird. Mit der nun erfolgreich demonstrierten Magnettechnologie ist die MIT-CFS-Zusammenarbeit auf dem besten Weg, das weltweit erste Fusionsgerät zu bauen, das ein Plasma erzeugen und einschließen kann, das mehr Energie produziert als es verbraucht. Diese Demonstrationsanlage mit der Bezeichnung SPARC soll 2025 fertiggestellt werden.
"Die Herausforderungen bei der Verwirklichung der Fusion sind sowohl technischer als auch wissenschaftlicher Natur", sagt Dennis Whyte, Direktor des Plasma Science and Fusion Center des MIT, das mit dem CFS bei der Entwicklung von SPARC zusammenarbeitet. Aber wenn sich die Technologie erst einmal bewährt hat, so Whyte, ist sie eine unerschöpfliche, kohlenstofffreie Energiequelle, die man überall und zu jeder Zeit einsetzen kann. Es ist wirklich eine grundlegend neue Energiequelle".
Whyte, der bei Hitachi America eine Professur für Ingenieurwissenschaften innehat, sagt, dass die Demonstration in dieser Woche einen wichtigen Meilenstein darstellt und die größten noch offenen Fragen bezüglich der Machbarkeit des SPARC-Designs beantwortet. "Ich glaube, dass dies wirklich ein Wendepunkt in der Fusionswissenschaft und -technologie ist", sagt er.
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Die Sonne in einer Flasche
Die Fusion ist der Prozess, der die Sonne antreibt: die Verschmelzung von zwei kleinen Atomen zu einem größeren, wobei gewaltige Energiemengen freigesetzt werden. Dieser Prozess erfordert jedoch Temperaturen, die weit über dem liegen, was ein festes Material aushalten könnte. Um die Energiequelle der Sonne hier auf der Erde einzufangen, braucht man eine Möglichkeit, etwas so Heißes - 100.000.000 Grad oder mehr - einzufangen und einzuschließen, indem man es so in der Schwebe hält, dass es nicht mit festen Stoffen in Berührung kommen kann.
Dies geschieht durch starke Magnetfelder, die eine Art unsichtbare Flasche bilden, in der die heiße, wirbelnde Suppe aus Protonen und Elektronen, ein so genanntes Plasma, eingeschlossen wird. Da die Teilchen eine elektrische Ladung haben, werden sie durch die Magnetfelder stark kontrolliert, und die am häufigsten verwendete Konfiguration für ihren Einschluss ist eine donutförmige Vorrichtung, die Tokamak genannt wird. Die meisten dieser Geräte haben ihre Magnetfelder mit herkömmlichen Elektromagneten aus Kupfer erzeugt, aber die neueste und größte Version, die derzeit in Frankreich gebaut wird, ITER genannt, verwendet so genannte Niedrigtemperatur-Supraleiter.
Die wichtigste Neuerung im MIT-CFS-Fusionskonzept ist die Verwendung von Hochtemperatursupraleitern, die ein viel stärkeres Magnetfeld auf kleinerem Raum ermöglichen. Ermöglicht wurde diese Konstruktion durch ein neuartiges supraleitendes Material, das seit einigen Jahren kommerziell erhältlich ist. Die Idee entstand ursprünglich als Klassenprojekt in einem von Whyte geleiteten Kerntechnikkurs. Die Idee schien so vielversprechend zu sein, dass sie in den nächsten Kursen weiterentwickelt wurde und Anfang 2015 in das ARC-Kraftwerkskonzept mündete. SPARC, das etwa halb so groß wie ARC ist, dient als Testanlage, um das Konzept vor dem Bau des Kraftwerks in voller Größe zu testen.
Bisher war es nur möglich, die enorm starken Magnetfelder zu erzeugen, die notwendig sind, um eine magnetische "Flasche" zu schaffen, die in der Lage ist, das auf Hunderte von Millionen Grad erhitzte Plasma aufzunehmen, indem man sie immer größer machte. Das neue Hochtemperatur-Supraleitermaterial, das in Form eines flachen, bandähnlichen Bandes hergestellt wird, ermöglicht es jedoch, ein höheres Magnetfeld in einem kleineren Gerät zu erreichen, das der Leistung entspricht, die in einem Gerät mit 40-mal größerem Volumen unter Verwendung herkömmlicher Tieftemperatur-Supraleitermagnete erzielt werden würde. Dieser Leistungssprung im Verhältnis zur Größe ist das Schlüsselelement des revolutionären Designs von ARC.
Der Einsatz der neuen supraleitenden Hochtemperaturmagnete ermöglicht die Anwendung jahrzehntelanger experimenteller Erkenntnisse aus dem Betrieb von Tokamak-Experimenten, einschließlich der Alcator-Serie des MIT. Der neue Ansatz unter der Leitung von Zach Hartwig, dem MIT-Forschungsleiter und Robert N. Noyce Career Development Assistant Professor of Nuclear Science and Engineering, verwendet ein bekanntes Design, verkleinert aber alles auf etwa die Hälfte der linearen Größe und erreicht aufgrund des höheren Magnetfelds dennoch die gleichen Betriebsbedingungen.
In einer Reihe von wissenschaftlichen Arbeiten, die im vergangenen Jahr veröffentlicht wurden, wurden die physikalischen Grundlagen dargelegt und durch Simulationen die Realisierbarkeit des neuen Fusionsgeräts bestätigt. Die Arbeiten zeigten, dass, wenn die Magnete wie erwartet funktionieren, das gesamte Fusionssystem zum ersten Mal in der jahrzehntelangen Fusionsforschung tatsächlich eine Nettoleistung erbringen sollte.
Martin Greenwald, stellvertretender Direktor und leitender Forscher am PSFC, sagt, dass im Gegensatz zu einigen anderen Entwürfen für Fusionsexperimente "die Nische, die wir füllen, darin bestand, konventionelle Plasmaphysik und konventionelle Tokamak-Designs und -Techniken zu verwenden, aber diese neue Magnettechnologie einzubringen. Wir brauchten also keine Innovationen in einem halben Dutzend verschiedener Bereiche. Wir wollten nur den Magneten erneuern und dann die Wissensbasis der letzten Jahrzehnte anwenden."
Diese Kombination aus wissenschaftlich fundierten Konstruktionsprinzipien und einer bahnbrechenden Magnetfeldstärke macht es möglich, eine Anlage zu entwickeln, die wirtschaftlich tragfähig ist und schnell entwickelt werden kann. "Dies ist ein großer Moment", sagt Bob Mumgaard, CEO von CFS. "Wir verfügen jetzt über eine Plattform, die sowohl wissenschaftlich sehr weit fortgeschritten ist, weil wir jahrzehntelang an diesen Maschinen geforscht haben, als auch kommerziell sehr interessant ist. Sie ermöglicht es uns, Geräte schneller, kleiner und kostengünstiger zu bauen", sagt er über die erfolgreiche Magnetdemonstration.
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Der Beweis für das Konzept
Die Umsetzung dieses neuen Magnetkonzepts erforderte drei Jahre intensiver Arbeit an der Konstruktion, dem Aufbau von Lieferketten und der Ausarbeitung von Herstellungsverfahren für Magnete, die möglicherweise zu Tausenden produziert werden müssen.
"Wir haben einen supraleitenden Magneten gebaut, der einzigartig ist. Es war viel Arbeit nötig, um einzigartige Herstellungsverfahren und -anlagen zu entwickeln. Deshalb sind wir jetzt gut vorbereitet, um die SPARC-Produktion hochzufahren", sagt Joy Dunn, Leiterin des Betriebs bei CFS. "Wir begannen mit einem physikalischen Modell und einem CAD-Entwurf und arbeiteten mit vielen Entwicklungen und Prototypen, um einen Entwurf auf dem Papier in diesen tatsächlichen physischen Magneten zu verwandeln. Dazu gehörte der Aufbau von Fertigungskapazitäten und Testeinrichtungen, einschließlich eines iterativen Prozesses mit mehreren Lieferanten des supraleitenden Bandes, um die Fähigkeit zu erreichen, Material zu produzieren, das den erforderlichen Spezifikationen entspricht - und für das CFS jetzt der weltweit größte Abnehmer ist.
Sie arbeiteten parallel mit zwei möglichen Magnetdesigns, von denen schließlich beide die Designanforderungen erfüllten, sagt sie. "Es kam darauf an, welches Design die Art und Weise, wie wir supraleitende Magnete herstellen, revolutionieren würde, und welches einfacher zu bauen war. Der Entwurf, für den sie sich entschieden haben, hat sich in dieser Hinsicht eindeutig durchgesetzt, sagt sie.
In diesem Test wurde der neue Magnet schrittweise hochgefahren, bis das Ziel eines Magnetfelds von 20 Tesla erreicht war - die höchste Feldstärke, die jemals für einen supraleitenden Hochtemperatur-Fusionsmagneten erreicht wurde. Der Magnet besteht aus 16 übereinander gestapelten Platten, von denen jede für sich der stärkste supraleitende Hochtemperaturmagnet der Welt wäre.
"Vor drei Jahren kündigten wir einen Plan an", sagt Mumgaard, "um einen 20-Tesla-Magneten zu bauen, den wir für künftige Fusionsmaschinen benötigen." Dieses Ziel sei nun erreicht worden, und zwar genau nach Plan, trotz der Pandemie, sagt er.
Brandon Sorbom, wissenschaftlicher Leiter des CFS, verweist auf eine Reihe von im letzten Jahr veröffentlichten physikalischen Abhandlungen, die im Wesentlichen zu dem Schluss kommen, dass, wenn wir den Magneten bauen, die gesamte Physik in SPARC funktionieren wird. Diese Demonstration beantwortet also die Frage: Können sie den Magneten bauen? Das ist eine sehr aufregende Zeit! Es ist ein großer Meilenstein."
Der nächste Schritt wird der Bau von SPARC sein, einer kleineren Version des geplanten ARC-Kraftwerks. Der erfolgreiche Betrieb von SPARC wird zeigen, dass ein kommerzielles Fusionskraftwerk in vollem Umfang realisierbar ist, so dass der Weg für die rasche Entwicklung und den Bau dieses bahnbrechenden Geräts geebnet ist.
Zuber sagt: "Ich bin jetzt wirklich optimistisch, dass SPARC aufgrund der nachgewiesenen Leistung der Magnete eine positive Nettoenergie erreichen kann. Der nächste Schritt ist die Vergrößerung, der Bau eines echten Kraftwerks. Es liegen noch viele Herausforderungen vor uns, nicht zuletzt die Entwicklung eines Designs, das einen zuverlässigen, dauerhaften Betrieb ermöglicht. Und da das Ziel die Kommerzialisierung ist, wird eine weitere große Herausforderung die Wirtschaftlichkeit sein. Wie kann man diese Kraftwerke so konzipieren, dass sie kostengünstig gebaut und eingesetzt werden können?"
Eines Tages, wenn es vielleicht Tausende von Fusionskraftwerken gibt, die saubere Stromnetze auf der ganzen Welt versorgen, sagt Zuber: "Ich denke, wir werden zurückblicken und darüber nachdenken, wie wir es geschafft haben, und ich denke, die Demonstration der Magnettechnologie war für mich der Zeitpunkt, an dem ich glaubte: Wow, wir können das wirklich schaffen."
Die erfolgreiche Entwicklung eines energieerzeugenden Fusionsgeräts wäre eine enorme wissenschaftliche Leistung, stellt Zuber fest. Aber das ist nicht der Hauptpunkt. "Keiner von uns versucht hier, Trophäen zu gewinnen. Wir versuchen, den Planeten bewohnbar zu halten".
https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908
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