Auf der Google Solve for X-Konferenz im Februar machte ein ehemaliger Mitarbeiter von Lockheed Martin eine überraschende Ankündigung. Er kündigte an, dass das Team von Wissenschaftlern unter seiner Leitung kurz davor stehe, eines der schwierigsten Probleme der modernen Physik effektiv zu lösen – den Start und die Aufrechterhaltung einer kontrollierten thermonuklearen Fusionsreaktion (CNF). Darüber hinaus will das Forschungsteam bis 2017 einen Prototypen eines kompakten 100-MW-Reaktors bauen – sehen Sie sich das Video an.

Die Präsentation wurde von Charles Chase gehalten, der als Ingenieur und Abteilungsleiter in der Abteilung Advanced Development von Lockheed Martin arbeitete. Das Geheimbüro heißt offiziell Advanced Development Project Division. In der Welt ist es besser bekannt unter dem seltsamen Namen Skunk Works, den es in den sechziger Jahren aufgrund der Leidenschaft von Mitarbeitern für einen humorvollen Comic über das Geheimrezept für Mondschein von Skunks erhielt. Das Präsidium bekam sogar ein entsprechendes Emblem, das auf allen Folien zu sehen ist.

Trotz des spielerischen Namens wurden innerhalb der Mauern des Büros sehr ernsthafte Projekte entwickelt. Darunter sind das strategische Überschall-Aufklärungsflugzeug SR-71 Blackbird, das taktische Angriffsflugzeug F-117 Night Hawk, das UAV RQ-170 Sentinel, ein Dutzend weiterer Stealth-Flugzeuge und das Schiff Sea Shadow.

Charles Chase ist Absolvent der University of California in Berkeley. Er graduierte 1985 an der Fakultät für Elektronik und Informatik und arbeitete von 1986 bis 2004 für Lockheed Martin. Derzeit ist er Mitbegründer des Privatunternehmens CBH Technologies, aber während der Präsentation wurden er und die von ihm genannten Entwicklungen weiterhin mit Lockheed Martin identifiziert.

Laut Charles bewegen sich die Physiker bei dem Versuch, das CTS-Problem zu lösen, seit einem halben Jahrhundert in die falsche Richtung. Er glaubt, dass Tokamaks keine Zukunft haben, und spricht mit großen Zweifeln über das ITER-Projekt.

Gleichzeitig wird der von ihm vorgeschlagene alternative Ansatz nur sehr allgemein beschrieben und weckt viel mehr Zweifel. In der Einleitung wird erwähnt, dass 1,3 Milliarden Menschen auf der Welt immer noch keinen dauerhaften Zugang zu Elektrizität haben. Bis 2050 wird sich der bestehende Bedarf verdoppeln, was zum Bau Tausender neuer Kraftwerke führt, für die nicht genügend Brennstoff vorhanden ist.

Charles bewegt sich vom dramatischen Teil zum optimistischen. Die Folie demonstriert die bekannte Reaktion von Deuterium- und Tritiumkernen, die zur Bildung eines Heliumkerns und eines freien Neutrons führt.

Deuterium + Tritium Reaction (Folie aus der Präsentation von Charles Chase)

Das Problem der induzierten Radioaktivität durch Neutronenstrahlung wird nicht einfach totgeschwiegen – der Referent deklariert null Emissionen und die völlige Abwesenheit von Strahlengefährdung.

Das Funktionsprinzip ist vage beschrieben. Es wird die Hochfrequenzbestrahlung von Deuteriumgas und von Tritium erwähnt, deren Quelle Lithium ist. Die Energieausbeute der Reaktion wird auf 17,6 MeV (Referenzwert) geschätzt. Allerdings argumentiert Charles weiter, als stünde durch seine Installation fast die gesamte Energie dem Verbraucher zur Verfügung. Er nennt sogar konkrete Termine, wann die „fast unerschöpfliche“ Energiequelle massenhaft zur Verfügung stehen wird.

Um die Reaktion zu starten (wie auch um sie aufrechtzuerhalten), wird zunächst eine erhebliche Menge an Energie benötigt. Damit die Endbilanz positiv ausfällt, müssen mindestens drei Hauptbedingungen erfüllt sein. Es ist notwendig, eine hohe Plasmatemperatur (mehr als 100 Millionen K) zu erreichen, die Fähigkeit, es für eine ausreichende Zeit in einem Zustand ultrahoher Dichte zu halten, und die technische Fähigkeit, die freigesetzte Energie zu nutzen.

Über die ersten beiden Bedingungen sagt Charles nur, dass der neue Reaktor eine andere Konfiguration des Magnetfelds verwendet. Was genau ist an ihr anders? Warum ist es besser als das von Tokamaks und Stellaratoren? Keine Antwort. Die dritte Bedingung verwirft der Referent vollständig und verweist auf die klassischen Methoden der Nutzung thermischer Energie. Um es milde auszudrücken, sie sind nicht sehr effektiv.

Bei der Kritik an Tokamaks verwendet Charles veraltete Daten und erwähnt den 1982 entdeckten H-Modus nicht. Im „High Fashion“-Modus (Paris hat damit nichts zu tun) werden die Energieverluste in Tokamaks um den Faktor zwei oder mehr reduziert. Eine solche Arbeitsweise der Stellaratoren ergibt nur einen Gewinn von einem Drittel, aber was sind die Ergebnisse des Chase-Teams?

Überraschend ist, dass der Redner bereit ist, konkrete Werte und Begriffe zu nennen, ohne anzugeben, wie sie im Allgemeinen berechnet wurden. Die Folie zeigt beispielsweise einen Lastwagen mit einem darauf installierten 100-MW-Reaktor. Dies ist eine Illustration des Futurama-Levels. Auf der nächsten Folie ist der violette Punkt mit „Experiment T4. Neue Konfiguration des Magnetfeldes“.

Mündlich kommentiert Charles, dass dies Teil einer Kammer von etwa einem Meter Durchmesser und zwei Metern Länge (Corktron?) sei, in der "man das Plasma sehen kann". Mit einer ziemlichen Vorstellungskraft in dieser Abstraktion können Sie überhaupt alles sehen.

Die Zuversicht, in vier Jahren einen funktionierenden Prototypen zu erstellen und in weiteren zehn Jahren das industrielle Niveau zu erreichen, impliziert inzwischen einen hohen Grad an Projektbereitschaft. In der Regel lässt sich dies anhand der vielen wissenschaftlichen Veröffentlichungen beurteilen, die der ernsthaften Kritik von Kollegen standgehalten haben.

Gemäß den Artikeln aus verschiedenen Jahren kann man den allmählichen Fortschritt der Laborforschung und die Entwicklung der Pilotanlage verfolgen. All das haben die in der Präsentation kritisierten Tokamaks und das ITER-Projekt, nicht aber das „Experiment T4“ von Charles Chase. Die Tatsache, dass die Rede vor einem breiten Publikum vor der Diskussion mit einem positiven Ergebnis in wissenschaftlichen Kreisen gehalten wurde, macht uns misstrauisch.

Spanische Ingenieure haben einen Prototyp eines umweltfreundlichen Trägheits-Fusionsreaktors mit Plasmaeinschluss entwickelt, der Kernfusion anstelle von Kernspaltung verwendet. Es wird behauptet, dass durch die Erfindung erheblich Kraftstoff eingespart und Umweltbelastungen vermieden werden.

Jose González Diez, Professor an der Polytechnischen Universität Madrid, hat einen Reaktor patentiert, der ein aus Wasser isolierbares Wasserstoffisotop als Brennstoff verwendet, was erhebliche Einsparungen bei der Stromerzeugung ermöglicht. Die Synthese im Reaktor erfolgt mittels Laserstrahlung von 1000 MW.

Seit vielen Jahren wird die Kernfusion untersucht, um eine Alternative zur Kernspaltung in Bezug auf Sicherheit und finanzielle Vorteile zu bieten. Heutzutage gibt es jedoch keinen einzigen Fusionsreaktor zur Erzeugung kontinuierlicher elektrischer Hochspannungsenergie. Ein Beispiel für einen natürlichen thermonuklearen Reaktor ist die Sonne, in deren Inneren auf enorme Temperaturen erhitztes Plasma in einem Zustand hoher Dichte gehalten wird.

Im Rahmen des Fusion Power-Projekts schuf González Diez einen Prototyp eines Fusionsreaktors mit Trägheitsplasmaeinschluss. Der Syntheseraum des Reaktors kann an die Art des verwendeten Brennstoffs angepasst werden. Theoretisch mögliche Reaktionen können Deuterium-Tritium, Deuterium-Deuterium oder Wasserstoff-Wasserstoff sein.

Die Abmessungen der Kammer sowie ihre Form können je nach Brennstoffart angepasst werden. Darüber hinaus wird es möglich sein, die Form der externen und internen Ausrüstung, die Art des Kühlmittels usw. zu ändern.

Laut dem Kandidaten für Physikalische und Mathematische Wissenschaften Boris Boyarshinov werden seit vierzig Jahren Projekte zur Schaffung eines thermonuklearen Reaktors durchgeführt.

„Seit den 70er Jahren ist das Problem der kontrollierten thermonuklearen Fusion akut, aber bisher waren zahlreiche Versuche, einen thermonuklearen Reaktor zu bauen, erfolglos. Die Arbeit an seiner Erfindung wird immer noch durchgeführt und wird höchstwahrscheinlich bald von Erfolg gekrönt sein“, bemerkte Herr Boyarshinov.

Wladimir Tschuprow, Leiter des Energieprogramms bei Greenpeace Russland, steht der Idee der Nutzung der Kernfusion skeptisch gegenüber.

„Das ist alles andere als ein sicherer Prozess. Wenn Sie neben einem thermonuklearen Reaktor eine „Decke“ aus Uran-238 platzieren, werden alle Neutronen von dieser Hülle absorbiert und Uran-238 wird zu Plutonium-239 und 240. Aus wirtschaftlicher Sicht, auch wenn Kernfusion implementiert und in den kommerziellen Betrieb gebracht werden kann, sind die Kosten so hoch, dass sie sich nicht jedes Land leisten kann, schon weil sehr kompetentes Personal benötigt wird, um diesen Prozess zu betreuen“, sagt der Ökologe.

Seiner Meinung nach sind die Komplexität und die hohen Kosten dieser Technologien der Stolperstein, über den jedes Projekt stolpern wird, selbst wenn es auf technischer Ebene stattfindet. „Aber selbst bei Erfolg wird die maximal installierte Kapazität von Fusionsanlagen bis zum Ende des Jahrhunderts 100 GW betragen, was etwa 2 % dessen entspricht, was die Menschheit benötigen wird. Infolgedessen löst die thermonukleare Fusion das globale Problem nicht“, ist sich Herr Chuprov sicher.

„Lockheed Martin hat mit der Entwicklung eines kompakten Fusionsreaktors begonnen … Auf der Website des Unternehmens heißt es, dass der erste Prototyp in einem Jahr gebaut werden soll. Wenn sich das bewahrheitet, werden wir in einem Jahr in einer ganz anderen Welt leben“, so der Beginn eines der „Dachgeschosse“. Drei Jahre sind seit seiner Veröffentlichung vergangen, und die Welt hat sich seitdem nicht sehr verändert.

Heute wird in den Reaktoren von Kernkraftwerken Energie durch den Zerfall schwerer Atomkerne gewonnen. In thermonuklearen Reaktoren wird Energie während des Fusionsprozesses von Kernen gewonnen, bei dem Kerne mit einer geringeren Masse als die Summe der ursprünglichen Kerne gebildet werden und der "Rest" in Form von Energie verschwindet. Abfälle aus Kernreaktoren sind radioaktiv, und ihre sichere Entsorgung bereitet große Kopfschmerzen. Fusionsreaktoren haben diesen Nachteil nicht und verwenden auch weit verbreitete Brennstoffe wie Wasserstoff.

Sie haben nur ein großes Problem – Industriedesigns gibt es noch nicht. Die Aufgabe ist nicht einfach: Für thermonukleare Reaktionen ist es notwendig, den Brennstoff zu komprimieren und auf Hunderte von Millionen Grad zu erhitzen – heißer als auf der Sonnenoberfläche (wo thermonukleare Reaktionen natürlich ablaufen). Es ist schwierig, eine so hohe Temperatur zu erreichen, aber es ist möglich, nur verbraucht ein solcher Reaktor mehr Energie, als er produziert.

Allerdings haben sie noch so viele potenzielle Vorteile, dass natürlich nicht nur Lockheed Martin an der Entwicklung beteiligt ist.

ITER

ITER ist das größte Projekt in diesem Bereich. Die Europäische Union, Indien, China, Korea, Russland, die Vereinigten Staaten und Japan beteiligen sich daran, und der Reaktor selbst wird seit 2007 in Frankreich gebaut, obwohl seine Geschichte viel tiefer in die Vergangenheit reicht: Reagan und Gorbatschow einigten sich darauf Gründung 1985. Der Reaktor ist eine toroidale Kammer, ein „Donut“, in der das Plasma durch Magnetfelder gehalten wird, weshalb er Tokamak genannt wird - dann rhoidal ka messen mit ma verfault zu Atuschkas. Der Reaktor wird Energie durch Fusion von Wasserstoffisotopen - Deuterium und Tritium - erzeugen.

Es ist geplant, dass ITER zehnmal mehr Energie erhält, als es verbraucht, aber dies wird nicht so bald geschehen. Ursprünglich war geplant, dass der Reaktor 2020 im Versuchsbetrieb in Betrieb gehen soll, dann wurde dieser Zeitraum jedoch auf 2025 verschoben. Gleichzeitig wird die industrielle Energieerzeugung frühestens 2060 beginnen, und die Verbreitung dieser Technologie kann erst gegen Ende des 21. Jahrhunderts abgewartet werden.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X ist der größte Stellarator-Fusionsreaktor der Welt. Der Stellarator löst das Problem, das Tokamaks verfolgt - die "Ausbreitung" von Plasma von der Mitte des Torus zu seinen Wänden. Was der Tokamak mit seinem starken Magnetfeld zu bewältigen versucht, löst der Stellarator mit seiner komplexen Form: Das plasmahaltende Magnetfeld krümmt sich, um das Eindringen geladener Teilchen zu stoppen.

Wendelstein 7-X wird, wie seine Schöpfer hoffen, im 21. Jahr eine halbe Stunde lang arbeiten können, was der Idee von thermonuklearen Stationen ähnlicher Bauart eine „Eintrittskarte zum Leben“ geben wird.

Nationale Zündanlage

Ein anderer Reaktortyp verwendet leistungsstarke Laser, um den Brennstoff zu komprimieren und zu erhitzen. Leider konnte die größte Laseranlage zur Gewinnung thermonuklearer Energie, das amerikanische NIF, nicht mehr Energie produzieren, als sie verbraucht.

Welches dieser Projekte wirklich „durchstarten“ wird und welches das Schicksal von NIF erleiden wird, ist schwer vorherzusagen. Es bleibt abzuwarten, zu hoffen und den Nachrichten zu folgen: Die 2020er Jahre versprechen eine interessante Zeit für die Kernenergie.

„Nukleare Technologien“ – eines der Profile der NTI-Schülerolympiade.

Wissenschaftler des Instituts für Kernphysik der sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften (BINP SB RAS) wollen an ihrem Institut ein Arbeitsmodell eines thermonuklearen Reaktors erstellen. Diese Veröffentlichung "Sib.fm", sagte der Leiter des Projekts, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften Alexander Ivanov.

Zum Start des Projekts „Entwicklung von Grundlagen und Technologien der thermonuklearen Energie der Zukunft“ erhielten Wissenschaftler eine staatliche Förderung. Insgesamt benötigen Wissenschaftler etwa eine halbe Milliarde Rubel, um einen Reaktor zu bauen. Das Institut wird die Anlage in fünf Jahren errichten. Wie berichtet, wird am INP SB RAS seit langem Forschung zur kontrollierten thermonuklearen Fusion, insbesondere zur Plasmaphysik, betrieben.

„Bisher haben wir uns mit physikalischen Experimenten beschäftigt, um eine Klasse von Kernreaktoren zu schaffen, die für Fusionsreaktionen verwendet werden können. Wir haben dabei Fortschritte gemacht, und wir standen vor der Aufgabe, den Prototyp einer thermonuklearen Station zu bauen. Bis heute haben wir die Basis und die Technologie angesammelt und sind voll und ganz bereit, mit der Arbeit zu beginnen. Es wird ein maßstabsgetreues Modell des Reaktors sein, das für Forschungszwecke oder zum Beispiel für die Behandlung radioaktiver Abfälle verwendet werden kann. Es gibt viele Technologien, um einen solchen Komplex zu erstellen. Sie sind neu und komplex und brauchen einige Zeit, um sie zu beherrschen. Alle Aufgaben der Plasmaphysik, die wir lösen werden, sind für die weltweite Wissenschaftsgemeinschaft relevant“, sagte Ivanov.

Im Gegensatz zur konventionellen Kernenergie soll die thermonukleare Energie die Energie nutzen, die bei der Bildung schwerer Kerne aus leichten Kernen freigesetzt wird. Als Brennstoff ist die Verwendung von Wasserstoffisotopen - Deuterium und Tritium - vorgesehen, das INP SB RAS wird jedoch nur mit Deuterium arbeiten.

„Wir werden nur Simulationsexperimente mit Elektronenerzeugung durchführen, aber alle Reaktionsparameter werden den realen entsprechen. Wir werden auch keinen Strom erzeugen - wir werden nur beweisen, dass die Reaktion ablaufen kann, dass die Plasmaparameter erreicht wurden. Angewandte technische Aufgaben werden in anderen Reaktoren umgesetzt“, sagte Yury Tikhonov, stellvertretender Direktor des Forschungsinstituts.

Reaktionen mit Deuterium sind relativ kostengünstig und haben eine hohe Energieausbeute, aber sie produzieren gefährliche Neutronenstrahlung.

„In bestehenden Anlagen wurde eine Plasmatemperatur von 10 Millionen Grad erreicht. Dies ist ein Schlüsselparameter, der die Qualität des Reaktors bestimmt. Wir hoffen, die Plasmatemperatur im neu geschaffenen Reaktor um das Zwei- bis Dreifache zu erhöhen. Auf dieser Ebene können wir die Anlage als Neutronentreiber für einen Leistungsreaktor nutzen. Basierend auf unserem Modell können neutronenlose Tritium-Deuterium-Reaktoren erstellt werden. Mit anderen Worten, die von uns geschaffenen Anlagen werden es ermöglichen, neutronenfreien Brennstoff herzustellen“, erklärte Alexander Bondar, ein weiterer stellvertretender Forschungsdirektor des INP SB RAS.