Physiker in den USA und Japan haben erstmals eine Kernfusion zwischen Protonen und Bor-11-Atomen in einem magnetisch eingeschlossenen Plasma beobachtet. Sie sagen, dass das Ergebnis demonstriert das Potenzial der Proton-Bor-Fusion als ergiebige, wirtschaftliche Energiequelle. Andere warnen jedoch davor, dass die wissenschaftliche Grundlage für eine solche Energiequelle noch weitgehend unbewiesen ist und dass kommerziellen Kraftwerken enorme technische Hürden im Wege stehen.
Alle Formen der Fusion versprechen nahezu unbegrenzte, saubere Grundlastenergie ohne die Probleme einer möglichen Kernschmelze und langlebiger Abfälle, die die Spaltung plagen. Aber Proton-Bor (S11B) Die Fusion bringt ein paar zusätzliche Vorteile im Vergleich zu den Mainstream-Reaktionen mit den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium.
Bor kann leicht abgebaut werden, während Tritium auf der Erde selten und nur schwer künstlich herzustellen ist. Die Proton-Bor-Reaktionen erzeugen außerdem drei Heliumatome (Alphateilchen), deren Energie im Prinzip direkt in Strom umgewandelt werden könnte, ohne Neutronen zu erzeugen, und reduzieren dadurch die radioaktive Kontamination von Reaktorkomponenten erheblich.
Diese Pluspunkte haben jedoch ihren Preis. Die Deuterium-Tritium-Fusion selbst erfordert enorme Temperaturen, um die gegenseitige Abstoßung der Kerne zu überwinden – rund 100 Millionen Kelvin. Aber Proton-Bor-Reaktionen brauchen noch viel extremere Bedingungen – etwa 1.5 Milliarden Kelvin.
Als Autoren der neuesten Forschung erklären in einem Artikel, der in veröffentlicht wurde Nature Communications veröffentlicht Je höher die Temperatur eines Plasmas ist, desto mehr Energie wird normalerweise in Form von Synchrotron- und Bremsstrahlung abgestrahlt. Sie betonen, dass dies es schwieriger macht, durch Fusionsreaktionen mehr Energie zu erzeugen, als für den Antrieb eines Reaktors benötigt wird – ein großes Problem, wenn eine kommerzielle Anlage wahrscheinlich einen Energiegewinn von mindestens 50 benötigt, um Ineffizienzen bei der Stromerzeugung zu überwinden Verfahren.
Die neue Arbeit wurde von Richard Magee und Kollegen der kalifornischen Fusionsfirma durchgeführt TAE-Technologien gemeinsam mit Wissenschaftlern der Nationales Institut für Fusionswissenschaft in Toki, Japan. Die Forscher führten ihre Experimente am Large Helical Device (LHD) des Instituts durch, einem Stellarator mit dem notwendigen Fusionsbrennstoff, der bereits vorhanden ist – die Protonen werden als hochenergetische neutrale Strahlen eingeschossen, während Borpulver in das Plasma injiziert wird, um Verunreinigungen zu reduzieren.
TAE lieferte den Detektor, der auf einem teilweise verarmten Siliziumhalbleiter beruhte, der einen Strom erzeugte, wenn er von Alpha-Partikeln getroffen wurde. Es wurde entwickelt, um zu vermeiden, dass Signale von Röntgenstrahlen und anderer Plasmastrahlung fälschlicherweise registriert werden, indem es vom Kernplasma abgewinkelt wird und die geladenen Alpha-Teilchen durch das große Magnetfeld des LHD dorthin gelenkt werden.
Die Forscher führten im Februar letzten Jahres mehrere Dutzend Versuchsaufnahmen durch. Sie beobachteten Fusionsreaktionen, indem sie das Signal auf ihrem Detektor vor und nach dem Einschalten der Neutralstrahlen verglichen und einige Schüsse ohne Borpulver durchführten. Nur wenn sie sowohl neutrale Strahlen als auch Borpulver hatten, bekamen sie einen Produktionssprung – dessen genauer Wert ihnen sagte, dass sie ungefähr 10 produzierten12 Fusionsreaktionen pro Sekunde, die mit Computersimulationen übereinstimmten.
Herausforderungen für die Zukunft
Dies ist nicht die erste Demonstration der Proton-Bor-Fusion – Wissenschaftler haben sie zuvor mit Teilchenbeschleunigern und leistungsstarken Lasern beobachtet. Aber die amerikanisch-japanische Zusammenarbeit argumentiert, dass es wichtig ist, die Reaktion dort zu untersuchen, wo sie letztendlich ausgenutzt werden würde – in einem magnetisch eingeschlossenen, thermonuklearen Plasma. Die Forscher erkennen an, dass noch viel mehr Arbeit getan werden muss, sind jedoch zuversichtlich, dass TAE in einem seiner Geräte einen Energiegewinn erzielen wird.
Tatsächlich behauptet TAE, auf dem besten Weg zur kommerziellen Fusionsenergie zu sein. Das Unternehmen hat eine Reihe immer ausgefeilterer Reaktoren gebaut, um die Fusion mit feldumgekehrter Konfiguration zu erforschen, bei der Plasmapulse in eine Kammer gefeuert und durch Drehen magnetisch an Ort und Stelle gehalten werden. Bisher hat keines der Geräte die Proton-Bor-Fusion demonstriert – sein aktueller „Norman“-Reaktor verwendet ein Wasserstoffplasma –, aber das Unternehmen sagt, dass es beabsichtigt, bis Anfang der 2030er Jahre Strom aus einem Pilot-Proton-Bor-Kraftwerk an das Netz zu senden.
Der Zündungsmeilenstein der National Ignition Facility löst einen neuen Schub für die Laserfusion aus
Peter Norreys, ein Plasmaphysiker an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich, sagt, die Forscher hätten in ihren Experimenten „gute Arbeit“ geleistet. Aber er argumentiert, dass die Proton-Bor-Fusion noch weit davon entfernt ist, mit Deuterium-Tritium-Reaktionen zu konkurrieren. Eine mögliche Komplikation, sagt er, ist die Notwendigkeit relativistischer Beschreibungen der Plasmadynamik bei so hohen Temperaturen. Er hält es auch für wahrscheinlich, dass Bremsstrahlung den Plasmaeinschluss beeinträchtigen könnte, indem sie die Innenflächen eines Reaktors erodiert.
Auch Wissenschaftler des EUROfusion-Konsortiums in Garching, Deutschland, werden bewacht. Tony Donné, Hartmut Zohm und Volker Naulin erzählten Physik-Welt dass die beobachtete Reaktionsgeschwindigkeit in den neuesten Experimenten etwa zehn Größenordnungen zu klein ist, um für die Fusionsenergie nützlich zu sein (unter Berücksichtigung der geringen Leistungsdichte von Proton-Bor).
Sie haben „starke Zweifel“, dass es jemals möglich sein wird, die für die kommerzielle Stromerzeugung erforderlichen Gewinne zu erzielen, und warnen davor, dass die Bremsstrahlung tatsächlich so stark sein könnte, dass sie die zum Erhitzen und Steuern des Plasmas erforderliche Leistung übersteigt – was das Plasma dazu veranlasst Zusammenbruch.
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