Mit alltäglichen Metallen die Zukunft vorantreiben

Die Fusionsenergie war in den letzten Jahren in aller Munde, und die Wissenschaftswelt spekuliert über futuristische Reaktoren. Doch hinter den Kulissen ermöglichen einige der gängigsten Metalle still und leise den Sprung der Fusion vom Labor ins Netz. Wolfram, Kupfer und Lithium – Elemente, mit denen wir täglich interagieren – erweisen sich auf der Suche nach unbegrenzter sauberer Energie als unverzichtbar.

Tungsten Tokamak WEST stellt 6-Minuten-Fusionsrekord auf

Die Anlage WEST (Wolfram (W) Environment in Steady-state Tokamak) in Frankreich hat einen neuen Rekord aufgestellt und damit einen wichtigen Meilenstein für die Fusionsenergie erreicht. WEST hielt sechs Minuten lang ein Fusionsplasma bei 50 Millionen Grad Celsius aufrecht und lieferte dabei 1.15 Gigajoule Energie. Dieser Erfolg verdoppelt die Plasmadichte und liefert 15 Prozent mehr Energie als der bisherige Rekord von WEST.

WEST wird betrieben von der französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie (CEA). Es ist Teil des CICLOP-Programms (Coordination on International Challenges on Long Duration OPeration) der IAEA. Das US-Energieministerium Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hat eine lange Partnerschaft mit WEST und CICLOP.

„Wir müssen eine neue Energiequelle bereitstellen, und die Quelle sollte kontinuierlich und dauerhaft sein. Das sind wunderschöne Ergebnisse. Wir haben ein stationäres Regime erreicht, obwohl wir uns aufgrund dieser Wolframwand in einem herausfordernden Umfeld befinden.“

– CEA-Wissenschaftler und CICLOP-Vorsitzender Xavier Litaudon

Fusionsgrundlagen

Fusion treibt die Sonne und die Sterne an. Es entsteht, wenn leichte Elemente wie Wasserstoff auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden und ein Plasma entsteht. In diesem Zustand kollidieren und verschmelzen die Plasmateilchen und setzen dabei große Energiemengen frei.

Auf der Erde nutzen Fusionsgeräte, sogenannte Tokamaks, starke Magnetfelder, um das Plasma in einer donutförmigen Kammer einzuschließen. Das Ziel besteht darin, eine sich selbst erhaltende Fusionsreaktion zu erreichen, die mehr Energie erzeugt, als zugeführt wird, und so möglicherweise eine praktisch unbegrenzte, sichere und kohlenstofffreie Energiequelle bereitzustellen.

Allerdings bleibt es eine große Herausforderung, diese Reaktionen lange genug aufrechtzuerhalten, um Nettoenergie zu gewinnen. Das Plasma muss erhitzt werden Temperaturen über dem Sonnenkern und über lange Zeiträume stabil gehalten. Im Gegensatz zu den meisten Tokamaks, deren Innenwände aus Kohlenstoff bestehen, die zu viel Brennstoff speichern, um als Reaktor nutzbar zu sein, sind alternative Materialien erkundet werden.

WESTs Wolframwände: Ein reaktorrelevanter Fortschritt

WEST ist gefüttert mit Wolfram, einem führenden Kandidaten für zukünftige Fusionsreaktoren. Wolfram speichert weitaus weniger Brennstoff als Kohlenstoff, was für einen effizienten Reaktorbetrieb notwendig ist. Allerdings auch wenn Wolfram wird verfolgt Im Plasma kann es durch Strahlung schnell abkühlen. Luis Delgado-Aparicio von PPPL erklärt:

„Die Umgebung mit Wolframwänden ist weitaus anspruchsvoller als die Verwendung von Kohlenstoff. Das ist einfach der Unterschied zwischen dem Versuch, Ihr Kätzchen zu Hause zu schnappen, und dem Versuch, den wildesten Löwen zu streicheln.“

Trotz der Schwierigkeiten stellt der sechsminütige Rekord von WEST mit Wolframwänden einen großen Fortschritt dar. Er ist doppelt so lang wie der Rekord von WESTs Vorgänger mit Kohlenstoffwänden, Tore Supra. Die Demonstration langer Pulse mit reaktorrelevanten Materialien ist für die Ziele von CICLOP und zukünftige Kraftwerke von entscheidender Bedeutung.

Neuartige Röntgendiagnostik ermöglicht Durchbruch

Der Rekordschuss wurde diagnostiziert unter Verwendung eines innovativen Röntgenbildgebungssystems, das von PPPL entwickelt wurde. Die von DECTRIS hergestellte Multienergie-Soft-Röntgenkamera (ME-SXR) wurde von PPPL speziell angepasst, um Plasmaeigenschaften in beispielloser Detailgenauigkeit zu messen.

„Die Röntgengruppe in der Abteilung für fortgeschrittene Projekte des PPPL entwickelt all diese innovativen Werkzeuge für Tokamaks und Stellaratoren auf der ganzen Welt.“

– Delgado-Aparicio, Leiter für fortgeschrittene Projekte bei PPPL

Typischerweise werden für die Fusionsdiagnostik ein oder zwei Röntgenenergieniveaus verwendet. Das ME-SXR des PPPL misst gleichzeitig acht Energieniveaus zwischen 11 und 18 Kiloelektronenvolt (keV). Dieser Bereich liefert klare Daten über den Plasmakern und schließt gleichzeitig Störungen durch hochfrequente Heizwellen aus.

Der ME-SXR misst die Elektronentemperaturen im Plasmakern direkt durch den Vergleich der Intensitäten bei verschiedenen Energien. Es bestimmt auch die Dichte der aus den Wänden wandernden Wolframverunreinigungen. Dies sind wichtige Daten für die Optimierung des Langpulsbetriebs mit metallischen Wänden. Laut WEST-Koordinator Remi Dumont:

„Dieses spezielle System ist das erste seiner Art mit Energiediskriminierung. Es ist spektakulär. Dank dieser neuen Messungen werden wir in der Lage sein, das Wolfram im Plasma zu messen und den Transport von Wolfram von der Wand zum Kern zu verstehen.“

Rekordergebnisse öffnen Türen für die Reaktorentwicklung

Das PPPL-Team unter der Leitung von Delgado-Aparicio und dem Forscher Tullio Barbui stellte fest, dass das WEST-Plasma während der sechsminütigen Aufnahme eine konstante Temperatur von 4 bis 4.5 Kilovolt (fast 50 Millionen °C) im Kern erreichte. Sowohl das Verunreinigungs- als auch das Temperaturprofil blieben stabil.

Diese Ergebnisse wurden durch fortgeschrittene Simulationen von CEA-Wissenschaftlern bestätigt. Laut Litaudon:

„Diese energieauflösende Kamera wird neue Wege in der Analyse eröffnen. Dank dieser Diagnose können wir dieses Problem verstehen und der Physik sowohl für die Messung als auch für die Simulation auf den Grund gehen.“

PPPL und WEST wollen die Kontrolle von Temperatur und Wolframverunreinigungen weiter verbessern, um einen noch längeren und stabileren Betrieb zu ermöglichen. Darüber hinaus teilt PPPL seine ME-SXR-Technologie mit Tokamaks weltweit, um reaktorrelevante Forschung zu beschleunigen. 

„Der ME-SXR ist nur ein Teil eines umfassenderen diagnostischen Beitrags von PPPL bis CEA/WEST. Diese Zusammenarbeit hilft uns sehr. Mit dieser Kombination von Diagnostiken werden wir in der Lage sein, sehr genaue Messungen im Plasma durchzuführen und es in Echtzeit zu steuern.“

– Dumont 

Alltägliche Metalle treiben die Fusion an: Wolfram, Kupfer, Lithium

Während Plasma im Mittelpunkt steht, hängt die Zukunft der Fusion auch von ihren greifbareren Komponenten ab. Drei Metalle erweisen sich dabei als unverzichtbar: Wolfram, Kupfer und Lithium.

Wolfram wird für seinen extrem hohen Schmelzpunkt von 3422 °C geschätzt, den höchsten aller Elemente. Dadurch kann es der sengenden Hitze von Fusionsplasmen standhalten. Chinas Xiamen Wolfram Co., Ltd., notiert an der Shanghai Stock Exchange, ist ein weltweit führender Hersteller. 

Trotz eines Rückgangs der Betriebseinnahmen um 2023 % auf 18.30 Milliarden Yuan verzeichnete das Unternehmen im Jahr 39.398 einen Anstieg des den Aktionären zurechenbaren Nettogewinns um 10.75 % auf 1.602 Milliarden Yuan. Der Ausbau der Produktionskapazitäten und die Effizienzsteigerungen stärken Xiamen Tungstens Position als wichtiger Lieferant von hochreinem Wolfram für Fusionsanwendungen und machen das Unternehmen zu einem attraktiven Unternehmen für Investoren.

Kupfer ist aufgrund seiner hervorragenden elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ein Dreh- und Angelpunkt der Fusionselektronik. Magnetspulen, Sammelschienen und Wärmetauscher sind alle auf Kupfer angewiesen, um die starken Ströme und die Hitze der Fusion zu bewältigen. 

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), Der größte börsennotierte Kupferproduzent mit Hauptsitz in den USA präsentierte sich im Jahr 2023 finanziell solide und erzielte einen Umsatz von 24.6 Milliarden US-Dollar und einen Nettogewinn von 4.2 Milliarden US-Dollar. Die umfangreichen Kupferreserven des Unternehmens, sein Engagement für Nachhaltigkeit und der technologische Fortschritt stärken seine Wachstumsaussichten, insbesondere angesichts der steigenden Kupfernachfrage aus erneuerbaren Energien und Elektrofahrzeugen.

Lithium, das leichteste Metall, wird aufgrund seines bemerkenswerten elektrochemischen Potenzials zu einem Hauptbestandteil der Fusion. Lithiumdecken können Tritiumbrennstoff erzeugen und Lithiumbatterien können Fusionsenergie effizient speichern. Albemarle Corporation (ALB), ein großer Lithiumproduzent, meldete im Jahr 9.62 einen Rekordjahresumsatz von 2023 Milliarden US-Dollar, eine Steigerung von 31 % gegenüber dem Vorjahr.

Trotz Herausforderungen wie der rückläufigen Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und sinkenden Lithiumpreisen verzeichnete Albemarles Energiespeichereinheit ein beeindruckendes Volumenwachstum von 35 %, vor allem dank des erweiterten Werks in La Negra in Chile. Der Fokus des Unternehmens auf Kostensenkung, finanzielle Flexibilität und Wachstumsinvestitionen verschafft dem Unternehmen eine gute Position im aufstrebenden Lithiummarkt, obwohl der Aktienkurs im vergangenen Jahr deutlich gefallen ist.

Mit fortschreitender Fusionstechnologie wird die Nachfrage nach diesen Metallen stark steigen. Wolfram, Kupfer und Lithium verfügen zwar nicht über die nötige Strahlkraft, bilden aber dennoch das Rückgrat der Fusionstechnologie. Hersteller, die hochreine Materialien in großem Maßstab liefern können, könnten mit Beginn des Fusions-Zeitalters einen deutlichen Aufschwung erleben.

Wegweisende Partnerschaften treiben den Fortschritt voran

Dieser Durchbruch ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit führender Fusionsforschungsinstitute. PPPL, ein Pionier der Plasmadiagnostik, entwickelte den ME-SXR mit Mitteln aus dem Nachwuchsförderungs- und Diagnostikentwicklungsstipendium des Energieministeriums. Der WEST-Tokamak des CEA, das weltweit einzige Gerät mit Wolframwänden zur Erforschung lang andauernder Strahlen, bietet ein ideales Testfeld.

DECTRIS, ein weltweit führender Anbieter von Röntgendetektoren, lieferte die Kerntechnologie, die PPPL in den neuartigen ME-SXR überführte. Laut DECTRIS-Vertriebsleiter Nicolas Pilet:

„Die Plasmafusionsgemeinschaft gehörte zu den ersten, die die Hybrid-Photonenzähltechnologie zur Überwachung der Plasmadynamik testeten. Wir sind unglaublich stolz, mit unseren Produkten zu dieser Entwicklung beizutragen und sind begeistert von der hervorragenden Zusammenarbeit.“

Der WEST-Rekord ist auch ein Erfolg für CICLOP, das Programm der IAEA zur Koordinierung der weltweiten Bemühungen zur Bewältigung der Herausforderungen durch langpulsige Kernfusionen. Durch die Bündelung von Fachwissen und Ressourcen will CICLOP systematisch zentrale Probleme lösen, die kontinuierliche Fusionsoperationen verhindern. Litadudon sagte:

„Dieser Meilenstein stellt einen wichtigen Schritt in Richtung der Ziele des CICLOP-Programms dar. Die Arbeit von PPPL bei WEST ist ein hervorragendes Beispiel.“

Auf dem Weg zu sauberer Fusionsenergie

Der 6-Minuten-Rekord von WEST mit Wolframwänden markiert einen bedeutenden Fortschritt für die Fusionsenergie. Er bestätigt, dass Tokamaks mit reaktorrelevanten Materialien Plasma bei den für die praktische Fusionsenergie notwendigen Temperaturen dauerhaft einschließen können. Neuartige Diagnoseverfahren wie das ME-SXR des PPPL ermöglichen es Forschern, das Plasma mit beispielloser Präzision zu messen und zu optimieren.

Es gibt noch viel zu tun getan werden um einen funktionsfähigen Fusionsreaktor zu entwickeln. Die Pulsdauer muss von Minuten auf Monate verlängert werden, während gleichzeitig die Dichte erhöht und die Stabilität aufrechterhalten werden muss. Fortschrittliche Materialien, Magnete und Wärmeableitungssysteme sind unerlässlich. Wissenschaftler schöpfen das enorme Potenzial der Fusion jedoch Schritt für Schritt aus.

Fusion hat das Potenzial, eine sichere, kohlenstofffreie und praktisch unerschöpfliche Energiequelle bereitzustellen. Dieser könnte Hilfe den Klimawandel eindämmen, Verbesserung der Energiesicherheitund die nächste Ära der menschlichen Entwicklung unterstützen. Insgesamt ist, wie WEST und CICLOP zeigen, die globale Zusammenarbeit der Schlüssel zur Bewältigung der Herausforderungen der Fusion und zur Erschließung ihrer immensen Vorteile für die Welt.

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