Fusionsenergie

Das Magnetfusionsexperiment Joint European Torus (JET) im Jahr 1991 ⓘ

Fusionsenergie ist eine vorgeschlagene Form der Energieerzeugung, bei der Strom durch die Nutzung von Wärme aus Kernfusionsreaktionen erzeugt werden soll. Bei einem Fusionsprozess verbinden sich zwei leichtere Atomkerne zu einem schwereren Kern, wobei Energie freigesetzt wird. Geräte, die diese Energie nutzbar machen sollen, werden als Fusionsreaktoren bezeichnet. Mit der Erforschung von Fusionsreaktoren wurde in den 1940er Jahren begonnen, aber bis heute hat noch keine Konstruktion mehr Fusionsenergie erzeugt als elektrische Energie zugeführt wird. ⓘ

Fusionsprozesse erfordern Brennstoff und eine eingeschlossene Umgebung mit ausreichender Temperatur, Druck und Einschlusszeit, um ein Plasma zu erzeugen, in dem die Fusion stattfinden kann. Die Kombination dieser Faktoren, die zu einem Energie erzeugenden System führt, wird als Lawson-Kriterium bezeichnet. In Sternen ist der häufigste Brennstoff Wasserstoff, und die Schwerkraft sorgt für extrem lange Einschlusszeiten, die die für die Erzeugung von Fusionsenergie erforderlichen Bedingungen erreichen. Vorgeschlagene Fusionsreaktoren verwenden in der Regel schwere Wasserstoffisotope wie Deuterium und Tritium (und vor allem eine Mischung aus beiden), die leichter reagieren als Protium (das häufigste Wasserstoffisotop), so dass sie die Anforderungen des Lawson-Kriteriums unter weniger extremen Bedingungen erfüllen können. Die meisten Entwürfe zielen darauf ab, ihren Brennstoff auf etwa 100 Millionen Grad zu erhitzen, was eine große Herausforderung bei der Herstellung eines erfolgreichen Entwurfs darstellt. ⓘ

Als Energiequelle soll die Kernfusion viele Vorteile gegenüber der Kernspaltung haben. Dazu gehören eine geringere Radioaktivität im Betrieb und wenig hochradioaktiver Abfall, große Brennstoffvorräte und eine erhöhte Sicherheit. Allerdings hat es sich als schwierig erwiesen, die erforderliche Kombination aus Temperatur, Druck und Dauer auf praktische und wirtschaftliche Weise zu erzeugen. Ein zweites Problem, das sich auf die üblichen Reaktionen auswirkt, ist der Umgang mit den Neutronen, die während der Reaktion freigesetzt werden und mit der Zeit viele der in der Reaktionskammer verwendeten Materialien zersetzen. ⓘ

Fusionsforscher haben verschiedene Einschlusskonzepte untersucht. Zu Beginn lag der Schwerpunkt auf drei Hauptsystemen: z-pinch, Stellarator und Magnetspiegel. Die derzeit führenden Konzepte sind der Tokamak und der Trägheitseinschluss (ICF) mittels Laser. Beide Konzepte werden in sehr großem Maßstab erforscht, vor allem der Tokamak ITER in Frankreich und der Laser der National Ignition Facility (NIF) in den Vereinigten Staaten. Die Forscher untersuchen auch andere Konzepte, die möglicherweise kostengünstigere Ansätze bieten. Zu diesen Alternativen gehören die Fusion mit magnetisierten Targets, der elektrostatische Trägheitseinschluss und neue Varianten des Stellarators. ⓘ

Blick auf das Plasma der Versuchsanlage MAST ⓘ

Fusionsenergie ist die großtechnische Nutzung der thermonuklearen Kernfusion zur Stromerzeugung. Die Aussicht auf eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle ohne das Risiko katastrophaler Störfälle und ohne die Notwendigkeit der Endlagerung langlebiger radioaktiver Abfälle motiviert seit den 1960er Jahren internationale Forschungsaktivitäten. ⓘ

Das zurzeit aufwendigste Projekt ist der internationale Forschungsreaktor ITER, ein Tokamak, der seit 2007 in Südfrankreich im Bau ist. Die Inbetriebnahme dieser Anlage, zunächst ohne Tritium, könnte 2030 beginnen. Bis 2040 soll ein Leistungsbetrieb mit brennendem Plasma erreicht werden, in dem wesentlich mehr Fusionsenergie freigesetzt wird als Heizenergie eingekoppelt werden muss (S. 16 in ). ⓘ

In dieser Phase sollen auch wesentliche Design-Entscheidungen für DEMO fallen, ein kleines Kraftwerk (mehrere 100 MW) auf Basis eines vergrößerten Tokamaks. Die ingenieurmäßige Konstruktion von DEMO soll mit enger Beteiligung der Industrie erfolgen. Zwanzig Jahre, nachdem ITER ein brennendes Plasma hoher Leistung demonstriert hat, soll DEMO in Betrieb gehen und noch früh in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts zeigen, dass großtechnische Stromerzeugung durch Kernfusion möglich ist und eine ausreichende Menge Tritium im Kraftwerk selbst erzeugt werden kann. ⓘ

Parallel zu den internationalen Großprojekten ITER und DEMO gibt es seit ca. 2010 ein erhöhtes Interesse an Kernfusion von Seiten privat finanzierter Start-up-Unternehmen . Sie verfolgen oft alternative Konzepte zur Fusion und versprechen eine Energieproduktion lange vor ITER (z. B. TAE Technologies oder Commonwealth Fusions Systems ). Eine Übersicht über die weltweiten Experimente zur Fusions gibt das Fusion Device Information System der IAEA. ⓘ

Einen merklichen Beitrag zur Energieversorgung, 1 TW, soll Kernfusion im Laufe des 22. Jahrhunderts leisten (S. 13 in ). Deshalb kann Fusionsenergie keine Rolle bei der in Deutschland geplanten Energiewende spielen. ⓘ

Neben der hier diskutierten Fusion mittels magnetischen Einschlusses ist die Trägheitsfusion – kurzzeitiges Fusionsbrennen mittels hoher, gepulster Energiezufuhr – ein alternatives Konzept der Nutzung von Fusionsenergie. ⓘ

Hintergrund

Die Sonne ist wie andere Sterne ein natürlicher Fusionsreaktor, in dem die stellare Nukleosynthese leichtere Elemente unter Freisetzung von Energie in schwerere Elemente umwandelt. ⓘ

Bindungsenergie für verschiedene Atomkerne. Eisen-56 hat die höchste und ist damit das stabilste Element. Die Kerne auf der linken Seite werden wahrscheinlich Energie freisetzen, wenn sie verschmelzen (Fusion); die Kerne ganz rechts sind wahrscheinlich instabil und setzen Energie frei, wenn sie gespalten werden (Spaltung). ⓘ

Mechanismus

Fusionsreaktionen treten auf, wenn sich zwei oder mehr Atomkerne lange genug nähern, so dass die Kernkraft, die sie zusammenzieht, die elektrostatische Kraft, die sie auseinandertreibt, übersteigt und sie zu schwereren Kernen verschmelzen. Bei Kernen, die schwerer sind als Eisen-56, ist die Reaktion endotherm, d. h. es wird Energie zugeführt. Die schweren Kerne, die größer als Eisen sind, haben viel mehr Protonen, was zu einer größeren Abstoßungskraft führt. Bei Kernen, die leichter sind als Eisen-56, ist die Reaktion exotherm, d. h. sie setzt bei der Verschmelzung Energie frei. Da Wasserstoff nur ein einziges Proton in seinem Kern hat, erfordert er die geringste Anstrengung, um eine Fusion zu erreichen, und liefert die meiste Nettoenergie. Da er außerdem ein Elektron hat, ist Wasserstoff der am leichtesten vollständig zu ionisierende Brennstoff. ⓘ

Die starke Kraft wirkt nur über kurze Entfernungen (höchstens ein Femtometer, der Durchmesser eines Protons oder Neutrons), während die abstoßende elektrostatische Kraft zwischen den Kernen über größere Entfernungen wirkt. Damit es zur Fusion kommt, muss den Brennstoffatomen genügend kinetische Energie zugeführt werden, damit sie sich so weit annähern, dass die starke Kraft die elektrostatische Abstoßung überwinden kann. Die Menge an kinetischer Energie, die erforderlich ist, um die Brennstoffatome nahe genug aneinander heranzubringen, wird als "Coulomb-Barriere" bezeichnet. Diese Energie kann u. a. durch die Beschleunigung von Atomen in einem Teilchenbeschleuniger oder durch Erhitzen auf hohe Temperaturen bereitgestellt werden. ⓘ

Sobald ein Atom über seine Ionisierungsenergie hinaus erhitzt wird, werden seine Elektronen abgestreift, so dass nur noch der Kern übrig bleibt. Dieser Vorgang wird als Ionisierung bezeichnet, und der entstehende Kern wird als Ion bezeichnet. Das Ergebnis ist eine heiße Wolke aus Ionen und freien Elektronen, die früher an sie gebunden waren, das so genannte Plasma. Da die Ladungen getrennt sind, sind Plasmen elektrisch leitfähig und magnetisch steuerbar. Viele Fusionsanlagen machen sich dies zunutze, um die Teilchen beim Erhitzen einzuschließen. ⓘ

Querschnitt

Die Fusionsreaktionsrate steigt mit der Temperatur rasch an, bis sie ihren Höhepunkt erreicht und dann allmählich abfällt. Die Deuterium-Tritium-Fusionsrate erreicht ihren Höhepunkt bei einer niedrigeren Temperatur (etwa 70 keV oder 800 Millionen Kelvin) und bei einem höheren Wert als andere Reaktionen, die üblicherweise für die Fusionsenergie in Betracht gezogen werden. ⓘ

Der Wirkungsquerschnitt einer Reaktion, der mit σ bezeichnet wird, misst die Wahrscheinlichkeit, dass eine Fusionsreaktion stattfindet. Er hängt von der relativen Geschwindigkeit der beiden Kerne ab. Höhere Relativgeschwindigkeiten erhöhen im Allgemeinen die Wahrscheinlichkeit, aber bei sehr hohen Energien beginnt die Wahrscheinlichkeit wieder zu sinken. ⓘ

In einem Plasma kann die Teilchengeschwindigkeit durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung charakterisiert werden. Wenn das Plasma thermisiert ist, sieht die Verteilung wie eine Gauß-Kurve oder eine Maxwell-Boltzmann-Verteilung aus. In diesem Fall ist es sinnvoll, den durchschnittlichen Teilchenquerschnitt über die Geschwindigkeitsverteilung zu verwenden. Dieser wird in die volumetrische Fusionsrate eingegeben:

P_{\text{fusion}}=n_{A}n_{B}\langle \sigma v_{A,B}\rangle E_{\text{fusion}}

ⓘ

wobei:

$P_{\text{fusion}}$ die durch Fusion gewonnene Energie pro Zeit und Volumen ist
n ist die Anzahldichte der Spezies A oder B der Teilchen im Volumen
$\langle \sigma v_{A,B}\rangle$ der Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion, gemittelt über alle Geschwindigkeiten der beiden Arten v
$E_{\text{fusion}}$ die bei dieser Fusionsreaktion freigesetzte Energie. ⓘ

Lawson-Kriterium

Das Lawson-Kriterium zeigt, wie die Energieabgabe mit der Temperatur, der Dichte und der Kollisionsgeschwindigkeit für einen bestimmten Brennstoff variiert. Diese Gleichung war von zentraler Bedeutung für John Lawsons Analyse der Fusion mit einem heißen Plasma. Lawson ging von einer Energiebilanz aus, die unten dargestellt ist. ⓘ

P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}\left(P_{\text{fusion}}-P_{\text{conduction}}-P_{\text{radiation}}\right)

wobei:

$P_{\text{out}}$ ist die Nettoenergie aus der Kernfusion
$\eta _{\text{capture}}$ ist der Wirkungsgrad bei der Erfassung der Fusionsleistung
$P_{\text{fusion}}$ ist die Rate der durch die Fusionsreaktionen erzeugten Energie
$P_{\text{conduction}}$ sind die Leitungsverluste, wenn energetische Masse das Plasma verlässt
$P_{\text{radiation}}$ sind die Strahlungsverluste, wenn Energie in Form von Licht austritt. ⓘ

Plasmawolken verlieren Energie durch Leitung und Strahlung. Leitungsverluste treten auf, wenn Ionen, Elektronen oder Neutronen auf andere Stoffe, in der Regel auf die Oberfläche des Geräts, treffen und einen Teil ihrer kinetischen Energie auf die anderen Atome übertragen. Strahlung ist Energie, die die Wolke als Licht verlässt. Die Strahlung nimmt mit der Temperatur zu. Fusionsenergietechnologien müssen diese Verluste ausgleichen. ⓘ

Dreifaches Produkt: Dichte, Temperatur, Zeit

Fusionseinfang (links) gegen Temperatur (unten) für verschiedene Fusionsansätze ab 2021, ausgehend von DT-Brennstoff. ⓘ

Das Lawson-Kriterium besagt, dass eine Maschine, die ein thermalisiertes und quasi-neutrales Plasma hält, genug Energie erzeugen muss, um die Energieverluste zu überwinden. Die Energiemenge, die in einem bestimmten Volumen freigesetzt wird, ist eine Funktion der Temperatur und damit der Reaktionsrate pro Teilchen, der Teilchendichte in diesem Volumen und schließlich der Einschlusszeit, d. h. der Zeitspanne, in der die Energie in dem Volumen verbleibt. Dies wird als "dreifaches Produkt" bezeichnet: die Plasmadichte, die Temperatur und die Einschlusszeit. ⓘ

Beim magnetischen Einschluss ist die Dichte niedrig, etwa in der Größenordnung eines "guten Vakuums". In der ITER-Anlage zum Beispiel beträgt die Brennstoffdichte etwa 1,0 x 10¹⁹ m^-3, was etwa einem Millionstel der atmosphärischen Dichte entspricht. Dies bedeutet, dass die Temperatur und/oder die Einschlusszeit erhöht werden muss. Fusionsrelevante Temperaturen wurden mit verschiedenen Heizmethoden erreicht, die in den frühen 1970er Jahren entwickelt wurden. Bei den modernen Anlagen, die ab 2019 zur Verfügung stehen, ist die Einschlusszeit das größte Problem. Plasmen in starken Magnetfeldern unterliegen einer Reihe inhärenter Instabilitäten, die unterdrückt werden müssen, um brauchbare Dauern zu erreichen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Vergrößerung des Reaktorvolumens, wodurch die Rate der Leckagen aufgrund der klassischen Diffusion verringert wird. Aus diesem Grund ist der ITER so groß. ⓘ

Im Gegensatz dazu nähern sich Trägheitseinschlusssysteme nützlichen Dreifachproduktwerten über eine höhere Dichte und haben kurze Einschlussintervalle. In NIF hat die anfängliche gefrorene Wasserstoff-Brennstoffladung eine geringere Dichte als Wasser, die auf etwa das 100-fache der Dichte von Blei erhöht wird. Unter diesen Bedingungen ist die Fusionsrate so hoch, dass der Brennstoff in den Mikrosekunden schmilzt, die die durch die Reaktionen erzeugte Hitze braucht, um den Brennstoff zu sprengen. Obwohl die NIF ebenfalls sehr groß ist, ist dies eine Funktion ihrer "Treiber"-Konstruktion und nicht dem Fusionsprozess zuzuschreiben. ⓘ

Einfangen der Energie

Es wurden mehrere Ansätze vorgeschlagen, um die durch die Fusion erzeugte Energie einzufangen. Der einfachste besteht darin, eine Flüssigkeit zu erhitzen. Bei der allgemein angestrebten D-T-Reaktion wird ein Großteil der Energie in Form von sich schnell bewegenden Neutronen freigesetzt. Da das Neutron elektrisch neutral ist, wird es durch das Einschlussverfahren nicht beeinträchtigt. In den meisten Konstruktionen wird es in einer dicken "Decke" aus Lithium, die den Reaktorkern umgibt, eingefangen. Wenn es von einem hochenergetischen Neutron getroffen wird, erwärmt sich der Mantel. Er wird dann aktiv mit einer Arbeitsflüssigkeit gekühlt, die eine Turbine zur Stromerzeugung antreibt. ⓘ

Ein anderes Konzept sieht vor, die Neutronen zur Erzeugung von Spaltbrennstoff in einem Mantel aus Atommüll zu nutzen, ein Konzept, das als Spaltungs-/Fusionshybrid bekannt ist. Bei diesen Systemen wird die Leistung durch die Spaltungsereignisse erhöht, und die Energie wird mit Systemen wie in herkömmlichen Spaltungsreaktoren gewonnen. ⓘ

Konstruktionen, die andere Brennstoffe verwenden, insbesondere die aneutronische Proton-Bor-Fusionsreaktion, setzen einen wesentlich größeren Teil ihrer Energie in Form von geladenen Teilchen frei. In diesen Fällen sind Energiegewinnungssysteme möglich, die auf der Bewegung dieser Ladungen basieren. Die direkte Energieumwandlung wurde in den 1980er Jahren am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) als Methode zur Aufrechterhaltung einer Spannung direkt unter Verwendung von Fusionsreaktionsprodukten entwickelt. Dabei wurde eine Energiegewinnungseffizienz von 48 % nachgewiesen. ⓘ

Methoden

Verhalten des Plasmas

Plasma ist ein ionisiertes Gas, das Elektrizität leitet. In der Masse wird es mit Hilfe der Magnetohydrodynamik modelliert, einer Kombination aus den Navier-Stokes-Gleichungen für Flüssigkeiten und den Maxwell-Gleichungen für das Verhalten magnetischer und elektrischer Felder. Bei der Fusion werden mehrere Plasmaeigenschaften ausgenutzt, darunter:

Das selbstorganisierende Plasma leitet elektrische und magnetische Felder. Seine Bewegungen erzeugen Felder, die es wiederum einschließen können.
Diamagnetisches Plasma kann sein eigenes internes Magnetfeld erzeugen. Dieses kann ein von außen angelegtes Magnetfeld abweisen, wodurch es diamagnetisch wird.
Magnetische Spiegel können das Plasma reflektieren, wenn es sich von einem Feld niedriger zu einem Feld hoher Dichte bewegt^{:24 ⓘ}

Neuronale Netze

Ein tiefes System des verstärkten Lernens wurde zur Steuerung eines Reaktors auf Tokomak-Basis eingesetzt. Die KI war in der Lage, die Magnetspulen zu manipulieren, um das Plasma zu steuern. Das System war in der Lage, das System kontinuierlich anzupassen, um ein angemessenes Verhalten beizubehalten (komplexer als stufenbasierte Systeme). Seit 2014 arbeitet Google mit dem kalifornischen Fusionsunternehmen TAE Technologies zusammen, um den Joint European Torus (JET) zu steuern und das Verhalten des Plasmas vorherzusagen. DeepMind hat ebenfalls ein Kontrollschema mit JET entwickelt. ⓘ

Magnetischer Einschluss

Tokamak: der am weitesten entwickelte und am besten finanzierte Ansatz. Bei dieser Methode wird heißes Plasma in einem magnetisch eingeschlossenen Torus mit internem Strom umhergetrieben. Nach seiner Fertigstellung wird der ITER der größte Tokamak der Welt sein. Im September 2018 waren weltweit schätzungsweise 226 experimentelle Tokamaks entweder geplant, stillgelegt oder in Betrieb (50).
Sphärischer Tokamak: auch bekannt als sphärischer Torus. Eine Variante des Tokamaks mit einer kugelförmigen Form.
Stellarator: Verdrillte Ringe aus heißem Plasma. Mit dem Stellarator wird versucht, mit Hilfe externer Magnete eine natürliche, verdrillte Plasmabahn zu erzeugen. Stellaratoren wurden 1950 von Lyman Spitzer entwickelt und haben sich zu vier Modellen entwickelt: Torsatron, Heliotron, Heliac und Helias. Ein Beispiel ist Wendelstein 7-X, ein deutsches Gerät. Es handelt sich um den größten Stellarator der Welt.
Interne Ringe: Stellaratoren erzeugen ein verdrilltes Plasma mit Hilfe externer Magnete, während Tokamaks dies mit Hilfe eines im Plasma induzierten Stroms tun. Mehrere Konstruktionsklassen erzeugen diesen Drall mit Hilfe von Leitern im Inneren des Plasmas. Frühe Berechnungen zeigten, dass Kollisionen zwischen dem Plasma und den Leiterträgern schneller Energie abbauen würden, als Fusionsreaktionen sie ersetzen könnten. Moderne Varianten, darunter das Levitated Dipole Experiment (LDX), verwenden einen massiven supraleitenden Torus, der in der Reaktorkammer magnetisch in der Schwebe gehalten wird.
Magnetischer Spiegel: Entwickelt von Richard F. Post und Teams am LLNL in den 1960er Jahren. Magnetische Spiegel reflektieren Plasma in einer Linie hin und her. Zu den Variationen gehören der Tandemspiegel, die magnetische Flasche und der bikonische Scheitelpunkt. In den 1970er und 1980er Jahren wurden von der US-Regierung eine Reihe von Spiegelmaschinen gebaut, vor allem im LLNL. Berechnungen in den 1970er Jahren ergaben jedoch, dass es unwahrscheinlich war, dass diese jemals kommerziell nutzbar sein würden.
Unebener Torus: Eine Reihe von Magnetspiegeln ist in einem torusförmigen Ring aneinandergereiht. Alle Brennstoffionen, die aus einem der Spiegel austreten, werden in einem benachbarten Spiegel eingeschlossen, so dass der Plasmadruck ohne Verlust beliebig hoch erhöht werden kann. Eine Versuchsanlage, der ELMO Bumpy Torus oder EBT, wurde in den 1970er Jahren am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) gebaut und getestet.
Feldumgekehrte Konfiguration: Diese Vorrichtung fängt das Plasma in einer selbstorganisierten, quasistabilen Struktur ein, wobei die Teilchenbewegung ein internes Magnetfeld erzeugt, das sich dann selbst einfängt.
Spheromak: Ähnlich wie bei einer feldumgekehrten Konfiguration handelt es sich um eine halbstabile Plasmastruktur, die durch die Nutzung des selbst erzeugten Magnetfelds des Plasmas entsteht. Ein Sphäromak hat sowohl toroidale als auch poloidale Felder, während eine feldumgekehrte Konfiguration kein toroidales Feld hat.
Dynomak ist ein Sphäromak, der durch kontinuierliche Magnetflussinjektion gebildet und aufrechterhalten wird.
Umgekehrte Feldquetschung: Hier bewegt sich das Plasma innerhalb eines Rings. Dieser besitzt ein inneres Magnetfeld. Wenn es sich vom Zentrum dieses Rings entfernt, kehrt das Magnetfeld seine Richtung um. ⓘ

Trägheitseinschluss

Darstellung der NIF-Ergebnisse von 2012 bis 2021 ⓘ

Indirekter Antrieb: Laser heizen eine als Hohlraum bezeichnete Struktur auf, die so heiß wird, dass sie Röntgenlicht abstrahlt. Diese Röntgenstrahlen erhitzen ein Brennstoffpellet, so dass es nach innen kollabiert und den Brennstoff komprimiert. Die größte Anlage, die diese Methode verwendet, ist die National Ignition Facility, dicht gefolgt von Laser Mégajoule.
Direkter Antrieb: Der Laser erhitzt das Brennstoffpellet direkt. Bemerkenswerte Experimente mit direktem Antrieb wurden im Laboratory for Laser Energetics (LLE) und in den GEKKO XII-Anlagen durchgeführt. Gute Implosionen erfordern Brennstoffpellets mit nahezu perfekter Form, um eine symmetrische, nach innen gerichtete Stoßwelle zu erzeugen, die das hochdichte Plasma erzeugt.
Schnelle Zündung: Bei dieser Methode werden zwei Laserbeschleunigungen eingesetzt. Der erste Strahl komprimiert den Fusionsbrennstoff, während der zweite ihn zündet. Seit 2019 hat diese Technik an Bedeutung für die Energieerzeugung verloren.
Magneto-Inertial-Fusion oder Magnetized Liner Inertial Fusion: Bei dieser Technik wird ein Laserpuls mit einem magnetischen Pinch kombiniert. Die Pinch-Gemeinschaft bezeichnet sie als magnetisierte Liner-Inertialfusion, während die ICF-Gemeinschaft sie als Magneto-Inertialfusion bezeichnet.
Ionenstrahlen: Ionenstrahlen ersetzen Laserstrahlen zur Erwärmung des Brennstoffs. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Strahl aufgrund der Masse einen Impuls hat, während Laser keinen haben. Ab 2019 scheint es unwahrscheinlich, dass Ionenstrahlen räumlich und zeitlich ausreichend fokussiert werden können.
Z-Maschine: Schickt einen elektrischen Strom durch dünne Wolframdrähte und erhitzt diese ausreichend, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Wie beim indirekten Antrieb komprimieren diese Röntgenstrahlen dann eine Brennstoffkapsel. ⓘ

Magnetische oder elektrische Zangen

Z-Pinch: Ein Strom fließt in Z-Richtung durch das Plasma. Der Strom erzeugt ein Magnetfeld, das das Plasma komprimiert. Pinches waren die erste Methode für die vom Menschen kontrollierte Fusion. Der Z-Pinch hat inhärente Instabilitäten, die seine Kompression und Erwärmung auf Werte begrenzen, die für eine praktische Fusion zu niedrig sind. Die größte Maschine dieser Art, die ZETA im Vereinigten Königreich, war das letzte große Experiment dieser Art. Die Probleme bei Z-Pinch führten zum Tokamak-Design. Der dichte Plasmafokus ist eine möglicherweise bessere Variante.
Theta-Pinch: Ein Strom kreist um die Außenseite einer Plasmasäule in Thetarichtung. Dadurch wird ein Magnetfeld induziert, das in der Mitte des Plasmas verläuft und nicht um es herum. Das frühe Theta-Pinch-Gerät Scylla war das erste, das die Fusion schlüssig nachweisen konnte. Spätere Arbeiten zeigten jedoch, dass es inhärente Grenzen hatte, die es für die Energieerzeugung uninteressant machten.
Scherströmungsstabilisierter Z-Pinch: An der University of Washington wurde unter der Leitung von Uri Shumlak untersucht, wie die Instabilitäten von Z-Pinch-Reaktoren durch eine Scherströmungsstabilisierung ausgeglichen werden können. Dabei wird neutrales Gas entlang der Achse des Pinchs beschleunigt. Zu den Versuchsanlagen gehörten die FuZE- und Zap Flow Z-Pinch-Versuchsreaktoren. Im Jahr 2017 gründete der britische Technologieinvestor und Unternehmer Benj Conway zusammen mit den Physikern Brian Nelson und Uri Shumlak das Unternehmen Zap Energy, um zu versuchen, die Technologie für die Stromerzeugung zu kommerzialisieren.
Screw Pinch: Bei dieser Methode werden Theta- und Z-Pinch zur besseren Stabilisierung kombiniert. ⓘ

Inertialer elektrostatischer Einschluss

Fusor: Ein elektrisches Feld erhitzt Ionen auf Fusionsbedingungen. Die Maschine verwendet normalerweise zwei kugelförmige Käfige, eine Kathode innerhalb der Anode, in einem Vakuum. Diese Maschinen werden wegen ihrer hohen Leitungs- und Strahlungsverluste nicht als praktikabler Ansatz zur Erzeugung von Nettoenergie angesehen. Sie sind so einfach zu bauen, dass Amateure mit ihnen Atome geschmolzen haben.
Polywell: Versuche, den magnetischen Einschluss mit elektrostatischen Feldern zu kombinieren, um die Leitungsverluste zu vermeiden, die durch den Käfig entstehen. ⓘ

Andere

Magnetisierte Zielfusion: Das heiße Plasma wird mit Hilfe eines Magnetfelds eingeschlossen und durch Trägheit zusammengepresst. Beispiele sind die FRX-L-Maschine des LANL, General Fusion (Kolbenkompression mit Flüssigmetall-Liner), HyperJet Fusion (Plasmastrahlkompression mit Plasmabeschichtung).
Unkontrolliert: Die Kernfusion wurde von Menschen initiiert, indem unkontrollierte Spaltungsexplosionen zur Stimulierung der Kernfusion eingesetzt wurden. Frühe Vorschläge für Fusionsenergie beinhalteten den Einsatz von Bomben zur Auslösung von Reaktionen. Siehe Projekt PACER.
Strahlenfusion: Ein Strahl aus hochenergetischen Teilchen, der auf einen anderen Strahl oder ein Ziel geschossen wird, kann die Fusion auslösen. Dies wurde in den 1970er und 1980er Jahren genutzt, um die Wirkungsquerschnitte von Fusionsreaktionen zu untersuchen. Strahlsysteme können jedoch nicht zur Energieerzeugung verwendet werden, da die Aufrechterhaltung der Kohärenz eines Strahls mehr Energie erfordert, als bei der Fusion entsteht.
Muonen-katalysierte Fusion: Bei diesem Ansatz werden die Elektronen in zweiatomigen Molekülen von Wasserstoffisotopen durch Myonen ersetzt - massereichere Teilchen mit der gleichen elektrischen Ladung. Durch ihre größere Masse werden die Kerne so weit komprimiert, dass die starke Wechselwirkung eine Fusion auslösen kann. Seit 2007 ist für die Erzeugung von Myonen mehr Energie erforderlich, als bei der durch Myonen katalysierten Fusion gewonnen werden kann. ⓘ

Gemeinsame Instrumente

In verschiedenen Projekten werden zahlreiche Ansätze, Geräte und Mechanismen für die Erwärmung, Messung und Energieerzeugung bei der Fusion eingesetzt. ⓘ

Heizung

Elektrostatische Heizung: Ein elektrisches Feld kann auf geladene Ionen oder Elektronen einwirken und sie aufheizen.
Injektion eines neutralen Strahls: Wasserstoff wird ionisiert und durch ein elektrisches Feld beschleunigt, um einen geladenen Strahl zu bilden, der durch eine Quelle von neutralem Wasserstoffgas auf das Plasma gestrahlt wird, das seinerseits ionisiert und durch ein Magnetfeld eingeschlossen wird. Ein Teil des dazwischenliegenden Wasserstoffgases wird durch Kollisionen mit dem geladenen Strahl in Richtung Plasma beschleunigt, bleibt aber neutral: Dieser neutrale Strahl wird also nicht durch das Magnetfeld beeinflusst und erreicht so das Plasma. Im Plasma angekommen, gibt der neutrale Strahl durch Kollisionen Energie an das Plasma ab, das dadurch ionisiert und vom Magnetfeld eingeschlossen wird, wodurch der Reaktor in einem Arbeitsgang aufgeheizt und nachgefüllt wird. Der Rest des geladenen Strahls wird durch Magnetfelder auf gekühlte Strahlenkippen umgelenkt.
Hochfrequenzheizung: Eine Radiowelle versetzt das Plasma in Schwingung (z. B. Mikrowellenherd). Dies ist auch als Elektronenzyklotron-Resonanzheizung bekannt, bei der z. B. Gyrotrons verwendet werden, oder als dielektrische Heizung.
Magnetische Rekonnektion: Wenn das Plasma dicht wird, können sich seine elektromagnetischen Eigenschaften ändern, was zu einer magnetischen Rekonnektion führen kann. Die Rekonnexion begünstigt die Fusion, da sie sofort Energie in das Plasma einspeist und es schnell aufheizt. Bis zu 45 % der Energie des Magnetfelds können die Ionen aufheizen.
Magnetische Oszillationen: Unterschiedliche elektrische Ströme können an Magnetspulen angelegt werden, die das in einer magnetischen Wand eingeschlossene Plasma aufheizen.
Antiprotonenvernichtung: Antiprotonen, die in eine Masse von Fusionsbrennstoff injiziert werden, können thermonukleare Reaktionen auslösen. Diese Möglichkeit als Methode für den Antrieb von Raumfahrzeugen, bekannt als Antimaterie-katalysierter Nuklearimpulsantrieb, wurde an der Pennsylvania State University im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen AIMStar-Projekt untersucht. ⓘ

Messung

Die Diagnostik eines wissenschaftlichen Fusionsreaktors ist äußerst komplex und vielfältig. Die für einen Fusionsleistungsreaktor erforderliche Diagnostik wird vielfältiger, aber weniger kompliziert sein als die eines wissenschaftlichen Reaktors, da zum Zeitpunkt der Kommerzialisierung viele Echtzeit-Rückkopplungs- und Kontrolldiagnosen perfektioniert sein werden. Die Betriebsumgebung eines kommerziellen Fusionsreaktors wird jedoch für Diagnosesysteme schwieriger sein als die eines wissenschaftlichen Reaktors, da im Dauerbetrieb höhere Plasmatemperaturen und eine stärkere Neutronenbestrahlung auftreten können. Bei vielen vorgeschlagenen Konzepten erfordert die Kommerzialisierung die zusätzliche Fähigkeit zur Messung und Abtrennung von Ableitgasen, z. B. Helium und Verunreinigungen, und zur Überwachung der Brennstoffaufzucht, z. B. des Zustands einer Tritium-Aufzuchtflüssigkeitsschicht. Im Folgenden werden einige grundlegende Techniken vorgestellt.

Flussschleife: Eine Drahtschleife wird in das Magnetfeld eingeführt. Während das Feld die Schleife durchläuft, wird ein Strom erzeugt. Der Strom misst den gesamten magnetischen Fluss durch diese Schleife. Diese Technik wurde beim National Compact Stellarator Experiment, beim Polywell und bei den LDX-Maschinen eingesetzt. Eine Langmuir-Sonde, ein Metallobjekt, das in einem Plasma platziert wird, kann verwendet werden. An sie wird ein Potential angelegt, das eine Spannung gegen das umgebende Plasma erzeugt. Das Metall sammelt geladene Teilchen ein und zieht einen Strom. Wenn sich die Spannung ändert, ändert sich auch der Strom. So entsteht eine IV-Kurve. Anhand der IV-Kurve lassen sich die lokale Plasmadichte, das Potenzial und die Temperatur bestimmen.
Thomson-Streuung: Die Lichtstreuung des Plasmas kann zur Rekonstruktion des Plasmaverhaltens, einschließlich Dichte und Temperatur, verwendet werden. Dies ist bei der Trägheitsfusion, Tokamaks und Fusoren üblich. Bei der Trägheitsfusion wird ein zweiter Strahl auf eine Goldfolie in der Nähe des Ziels geschossen, wodurch Röntgenstrahlen erzeugt werden, die das Plasma durchqueren. In Tokamaks kann dies mit Hilfe von Spiegeln und Detektoren geschehen, die das Licht reflektieren.
Neutronendetektoren: Verschiedene Arten von Neutronendetektoren können die Geschwindigkeit der Neutronenproduktion aufzeichnen.
Röntgendetektoren: Sichtbare, IR-, UV- und Röntgenstrahlen werden immer dann ausgesandt, wenn ein Teilchen seine Geschwindigkeit ändert. Ist die Ursache die Ablenkung durch ein Magnetfeld, handelt es sich bei niedrigen Geschwindigkeiten um Zyklotronstrahlung und bei hohen Geschwindigkeiten um Synchrotronstrahlung. Wenn die Ursache die Ablenkung durch ein anderes Teilchen ist, strahlt das Plasma Röntgenstrahlung ab, die als Bremsstrahlung bezeichnet wird. ⓘ

Energieerzeugung

Neutronendecken absorbieren Neutronen, wodurch die Decke erhitzt wird. Dem Blanket kann auf verschiedene Weise Energie entzogen werden:

Dampfturbinen können durch die Wärme angetrieben werden, die in eine Arbeitsflüssigkeit übertragen wird, die sich in Dampf verwandelt und so elektrische Generatoren antreibt.
Neutronendecken: Diese Neutronen können verbrauchten Spaltbrennstoff regenerieren. Tritium kann mit einer Brüterdecke aus flüssigem Lithium oder einem heliumgekühlten Kieselbett aus lithiumhaltigen Keramikkugeln erzeugt werden.
Direkte Umwandlung: Die kinetische Energie eines Teilchens kann in Spannung umgewandelt werden. Sie wurde erstmals von Richard F. Post in Verbindung mit Magnetspiegeln in den späten 1960er Jahren vorgeschlagen. Sie wurde sowohl für feldumgekehrte Konfigurationen als auch für Geräte mit dichtem Plasmafokus vorgeschlagen. Der Prozess wandelt einen großen Teil der zufälligen Energie der Fusionsprodukte in gerichtete Bewegung um. Die Partikel werden dann auf Elektroden bei verschiedenen großen elektrischen Potentialen gesammelt. Mit dieser Methode wurde ein experimenteller Wirkungsgrad von 48 Prozent erzielt.
Wanderfeldröhren leiten geladene Heliumatome mit mehreren Megavolt, die gerade aus der Fusionsreaktion kommen, durch ein Rohr mit einer Drahtspule an der Außenseite. Diese durchlaufende Ladung mit hoher Spannung zieht Strom durch den Draht. ⓘ

Einschluss

Parameterraum, der seit Mitte der 1990er Jahre von Trägheitsfusionsenergie- und Magnetfusionsenergieanlagen eingenommen wird. Der Bereich, der eine thermonukleare Zündung mit hoher Verstärkung ermöglicht, liegt in der Nähe der oberen rechten Ecke des Diagramms. ⓘ

Der Begriff "Einschluss" bezieht sich auf alle Bedingungen, die erforderlich sind, um ein Plasma lange genug dicht und heiß zu halten, damit eine Fusion stattfinden kann. Allgemeine Grundsätze:

Gleichgewicht: Die auf das Plasma wirkenden Kräfte müssen im Gleichgewicht sein. Eine Ausnahme ist der Trägheitseinschluss, bei dem die Fusion schneller ablaufen muss als die Dispersionszeit.
Stabilität: Das Plasma muss so beschaffen sein, dass Störungen nicht zur Dispersion des Plasmas führen.
Transport oder Leitung: Der Verlust von Material muss ausreichend langsam sein. Das Plasma nimmt Energie mit sich, so dass ein schneller Materialverlust die Fusion stören würde. Der Materialverlust kann durch Transport in andere Regionen oder durch Leitung durch einen Festkörper oder eine Flüssigkeit erfolgen. ⓘ

Um eine selbsterhaltende Fusion zu erzeugen, muss ein Teil der durch die Reaktion freigesetzten Energie dazu verwendet werden, neue Reaktanten zu erhitzen und die Bedingungen für die Fusion aufrechtzuerhalten. ⓘ

Magnetischer Einschluss

Magnetischer Spiegel

Magnetischer Spiegeleffekt. Wenn ein Teilchen der Feldlinie folgt und in einen Bereich mit höherer Feldstärke eintritt, können die Teilchen reflektiert werden. Mehrere Geräte nutzen diesen Effekt. Am bekanntesten sind die Magnetspiegelmaschinen, eine Reihe von Geräten, die von den 1960er bis in die 1980er Jahre am LLNL gebaut wurden. Weitere Beispiele sind die magnetischen Flaschen und der bikonische Scheitelpunkt. Da die Spiegelmaschinen gerade waren, hatten sie einige Vorteile gegenüber ringförmigen Konstruktionen. Die Spiegel waren einfacher zu konstruieren und zu warten, und die Energiegewinnung durch direkte Umwandlung war leichter zu realisieren. Wegen des schlechten Einschlusses wurde dieser Ansatz aufgegeben, außer bei der Polywell-Konstruktion. ⓘ

Magnetische Schleifen

Magnetschleifen biegen die Feldlinien auf sich selbst zurück, entweder in Kreisen oder, was häufiger der Fall ist, in verschachtelten toroidalen Oberflächen. Die am weitesten entwickelten Systeme dieser Art sind der Tokamak, der Stellarator und die umgekehrte Feldquetsche. Kompakte Toroide, insbesondere die feldumgekehrte Konfiguration und der Sphäromak, versuchen, die Vorteile toroidaler Magnetflächen mit denen einer einfach verbundenen (nicht toroidalen) Maschine zu kombinieren, was zu einem mechanisch einfacheren und kleineren Einschlussbereich führt. ⓘ

Trägheitseinschluss

Beim Trägheitseinschluss wird das Plasma durch schnelle Implosion erhitzt und eingeschlossen. Eine Hülle, die den Brennstoff umgibt, wird mit Hilfe eines direkten Laserstrahls (direkter Antrieb), eines sekundären Röntgenstrahls (indirekter Antrieb) oder schwerer Strahlen implodiert. Der Brennstoff muss mit energiereichen Strahlen auf die etwa 30-fache Festkörperdichte komprimiert werden. Der direkte Antrieb kann prinzipiell effizient sein, aber unzureichende Gleichmäßigkeit hat den Erfolg verhindert^:19-20 Beim indirekten Antrieb werden Strahlen verwendet, um eine Hülle zu erhitzen, die Röntgenstrahlen aussendet, die dann das Pellet implodieren lassen. Bei den Strahlen handelt es sich in der Regel um Laserstrahlen, aber auch Ionen- und Elektronenstrahlen wurden untersucht.^{:182-193 ⓘ}

Elektrostatischer Einschluss

Fusionsanlagen mit elektrostatischem Einschluss nutzen elektrostatische Felder. Das bekannteste Gerät ist der Fusor. Bei diesem Gerät befindet sich eine Kathode in einem Anodendrahtkäfig. Positive Ionen fliegen in Richtung des negativen Innenkäfigs und werden dabei durch das elektrische Feld erhitzt. Wenn sie den inneren Käfig verfehlen, können sie zusammenstoßen und verschmelzen. In der Regel treffen die Ionen jedoch auf die Kathode, was zu hohen Leitungsverlusten führt, die untragbar sind. Die Fusionsraten in Fusoren sind aufgrund konkurrierender physikalischer Effekte, wie Energieverluste in Form von Lichtstrahlung, niedrig. Es wurden Konstruktionen vorgeschlagen, um die mit dem Käfig verbundenen Probleme zu vermeiden, indem das Feld durch eine nicht neutrale Wolke erzeugt wird. Dazu gehören eine Plasma-Oszillationsvorrichtung, ein magnetisch abgeschirmtes Gitter, eine Penning-Falle, das Polywell und das F1-Kathoden-Treiberkonzept. ⓘ

Brennstoffe

Bei den für die Fusionsenergie in Betracht gezogenen Brennstoffen handelt es sich durchweg um leichte Elemente wie die Isotope von Wasserstoff-Protium, Deuterium und Tritium. Für die Deuterium-Helium-3-Reaktion wird Helium-3 benötigt, ein Helium-Isotop, das auf der Erde so selten ist, dass es außerirdisch abgebaut oder durch andere Kernreaktionen hergestellt werden müsste. Letztendlich hoffen die Forscher, die Protium/Boron-11-Reaktion zu übernehmen, da bei dieser Reaktion keine Neutronen direkt erzeugt werden, obwohl dies bei Nebenreaktionen möglich ist. ⓘ

Deuterium/Tritium

Diagramm der D-T-Reaktion ⓘ

Die einfachste Kernreaktion mit der geringsten Energie ist D+T:

²
₁D
+ ³
₁T
→ ⁴
₂He
(3,5 MeV) + ¹
₀n
(14,1 MeV) ⓘ

Diese Reaktion wird häufig in der Forschung, in der Industrie und im Militär eingesetzt, meist als Neutronenquelle. Deuterium ist ein natürlich vorkommendes Isotop des Wasserstoffs und ist allgemein verfügbar. Aufgrund des großen Massenverhältnisses der Wasserstoffisotope ist ihre Abtrennung im Vergleich zum Urananreicherungsprozess einfach. Tritium ist ein natürliches Isotop des Wasserstoffs, aber wegen seiner kurzen Halbwertszeit von 12,32 Jahren ist es schwer zu finden, zu lagern und zu produzieren und zudem sehr teuer. Daher erfordert der Deuterium-Tritium-Brennstoffkreislauf die Erzeugung von Tritium aus Lithium unter Verwendung einer der folgenden Reaktionen:

¹
₀n
+ ⁶
₃Li
→ ³
₁T
+ ⁴
₂He

¹
₀n
+ ⁷
₃Li
→ ³
₁T
+ ⁴
₂He
+ ¹
₀n ⓘ

Das reaktive Neutron wird von der oben dargestellten D-T-Fusionsreaktion geliefert, die die größte Energieausbeute hat. Die Reaktion mit ⁶Li ist exotherm und liefert einen geringen Energiegewinn für den Reaktor. Die Reaktion mit ⁷Li ist endotherm, verbraucht aber kein Neutron. Neutronenvervielfältigungsreaktionen sind erforderlich, um die durch die Absorption durch andere Elemente verlorenen Neutronen zu ersetzen. Führende Kandidaten für Neutronenvervielfältigungsreaktionen sind Beryllium und Blei, aber die ⁷Li-Reaktion hilft, die Neutronenpopulation hoch zu halten. Natürliches Lithium besteht hauptsächlich aus ⁷Li, das im Vergleich zu ⁶Li einen geringen Tritiumproduktionsquerschnitt aufweist, so dass die meisten Reaktorkonstruktionen Brutmäntel mit angereichertem ⁶Li verwenden. ⓘ

Der D-T-Fusionsenergie werden im Allgemeinen folgende Nachteile zugeschrieben:

Die Zufuhr von Neutronen führt zu einer Neutronenaktivierung der Reaktormaterialien^:242
80 % der entstehenden Energie wird durch Neutronen abgeführt, was die Nutzung der direkten Energieumwandlung einschränkt.
Es wird das Radioisotop Tritium benötigt. Tritium kann aus den Reaktoren entweichen. Einigen Schätzungen zufolge würde dies zu einer erheblichen Freisetzung von Radioaktivität in die Umwelt führen. ⓘ

Der in einem kommerziellen D-T-Fusionsreaktor zu erwartende Neutronenfluss ist etwa 100-mal so hoch wie der von Spaltleistungsreaktoren, was Probleme bei der Materialauslegung aufwirft. Nach einer Reihe von D-T-Tests bei JET war das Vakuumgefäß so radioaktiv, dass es ein Jahr lang nach den Tests ferngehalten werden musste. ⓘ

In einer Produktionsumgebung würden die Neutronen mit dem Lithium in der Brüterdecke reagieren, die aus Lithium-Keramikkugeln oder flüssigem Lithium besteht, wobei Tritium entsteht. Die Energie der Neutronen geht in das Lithium über, das dann zur Stromerzeugung genutzt wird. Der Lithiummantel schützt die äußeren Teile des Reaktors vor dem Neutronenfluss. Bei neueren Konzepten, insbesondere beim fortgeschrittenen Tokamak, wird Lithium im Inneren des Reaktorkerns als Konstruktionselement verwendet. Das Plasma interagiert direkt mit dem Lithium, wodurch das als "Recycling" bekannte Problem vermieden wird. Der Vorteil dieser Konstruktion wurde im Lithium-Tokamak-Experiment demonstriert. ⓘ

Deuterium

Deuterium-Fusionsquerschnitt (in Quadratmetern) bei verschiedenen Ionenkollisionsenergien. ⓘ

Die Verschmelzung zweier Deuteriumkerne ist die zweitleichteste Fusionsreaktion. Die Reaktion hat zwei Zweige, die mit nahezu gleicher Wahrscheinlichkeit auftreten:

D + D	→ T	+ ¹H
D + D	→ ³He	+ n

Diese Reaktion ist auch in der Forschung üblich. Die optimale Energie für die Einleitung dieser Reaktion liegt bei 15 keV und damit nur geringfügig höher als bei der D-T-Reaktion. Im ersten Zweig wird Tritium erzeugt, so dass ein D-D-Reaktor nicht tritiumfrei ist, auch wenn er keine Zufuhr von Tritium oder Lithium benötigt. Wenn die Tritonen nicht schnell entfernt werden, wird der größte Teil des erzeugten Tritiums im Reaktor verbrannt, was die Handhabung des Tritiums reduziert, aber den Nachteil hat, dass mehr und energiereichere Neutronen erzeugt werden. Das Neutron aus dem zweiten Zweig der D-D-Reaktion hat eine Energie von nur 2,45 MeV (0,393 pJ), während das Neutron aus der D-T-Reaktion eine Energie von 14,1 MeV (2,26 pJ) hat, was zu einer größeren Isotopenproduktion und Materialschädigung führt. Wenn die Tritonen schnell entfernt werden, während das ³He reagieren kann, wird der Brennstoffzyklus als "tritiumunterdrückte Fusion" bezeichnet. Das entfernte Tritium zerfällt zu ³He mit einer Halbwertszeit von 12,5 Jahren. Da der ³He-Zerfall in den Reaktor zurückgeführt wird, benötigt der Fusionsreaktor keine Materialien, die gegen schnelle Neutronen resistent sind. ⓘ

Unter der Annahme eines vollständigen Tritiumabbrands würde die Verringerung des Anteils der durch Neutronen übertragenen Fusionsenergie nur etwa 18 % betragen, so dass der Hauptvorteil des D-D-Brennstoffkreislaufs darin besteht, dass keine Tritiumaufzucht erforderlich ist. Weitere Vorteile sind die Unabhängigkeit von Lithiumressourcen und ein etwas weicheres Neutronenspektrum. Der Nachteil von D-D gegenüber D-T besteht darin, dass die Zeit des Energieeinschlusses (bei gegebenem Druck) 30 Mal länger sein muss und die erzeugte Leistung (bei gegebenem Druck und Volumen) 68 Mal geringer ist. ⓘ

Unter der Annahme der vollständigen Entfernung von Tritium und des ³He-Recyclings werden nur 6 % der Fusionsenergie durch Neutronen übertragen. Die tritiumunterdrückte D-D-Fusion erfordert im Vergleich zur D-T-Fusion einen 10-mal längeren Energieeinschluss und die doppelte Plasmatemperatur. ⓘ

Deuterium, Helium-3

Ein Ansatz der zweiten Generation zur kontrollierten Fusionsenergie besteht in der Kombination von Helium-3 (³He) und Deuterium (²H):

D + ³He

→ ⁴He

+ ¹H

ⓘ

Bei dieser Reaktion entstehen ⁴He und ein hochenergetisches Proton. Wie beim aneutronischen p-¹¹B-Fusionsbrennstoffkreislauf wird der größte Teil der Reaktionsenergie in Form von geladenen Teilchen freigesetzt, was die Aktivierung des Reaktorgehäuses verringert und möglicherweise eine effizientere Energiegewinnung (über einen von mehreren Wegen) ermöglicht. In der Praxis erzeugen D-D-Seitenreaktionen eine erhebliche Anzahl von Neutronen, so dass p-¹¹B der bevorzugte Zyklus für die aneutronische Fusion ist. ⓘ

Proton, Bor-11

Sowohl materialwissenschaftliche Probleme als auch Bedenken hinsichtlich der Nichtverbreitung von Kernwaffen werden durch die aneutronische Fusion erheblich verringert. Theoretisch ist der reaktivste aneutronische Brennstoff ³He. Die Gewinnung angemessener Mengen von ³He setzt jedoch einen groß angelegten außerirdischen Abbau auf dem Mond oder in der Atmosphäre von Uranus oder Saturn voraus. Der vielversprechendste Kandidat für eine solche Fusion ist daher die Verschmelzung von leicht verfügbarem Protium (d.h. einem Proton) und Bor. Bei ihrer Fusion werden keine Neutronen freigesetzt, sondern energiereiche geladene Alpha-Teilchen (Helium), deren Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann:

p + ¹¹B → 3 ⁴He ⓘ

Bei Nebenreaktionen werden wahrscheinlich Neutronen freigesetzt, die nur etwa 0,1 % der Energie tragen^:177-182 , was bedeutet, dass die Neutronenstreuung nicht zur Energieübertragung genutzt wird und die Materialaktivierung um das Tausendfache reduziert ist. Die optimale Temperatur für diese Reaktion von 123 keV ist fast zehnmal höher als die für reine Wasserstoffreaktionen, und der Energieeinschluss muss 500 Mal besser sein als bei der D-T-Reaktion. Außerdem ist die Leistungsdichte 2500-mal geringer als bei der D-T-Reaktion, obwohl sie pro Masseneinheit Brennstoff immer noch deutlich höher ist als bei Spaltungsreaktoren. ⓘ

Da die Einschlusseigenschaften der Tokamak- und der Laserpellet-Fusion marginal sind, basieren die meisten Vorschläge für die aneutronische Fusion auf radikal anderen Einschlusskonzepten, wie dem Polywell und dem Dense Plasma Focus. Im Jahr 2013 meldete ein Forscherteam unter der Leitung von Christine Labaune an der École Polytechnique einen neuen Rekord für die Proton-Bor-Fusion mit schätzungsweise 80 Millionen Fusionsreaktionen während eines Laserfeuers von 1,5 Nanosekunden, was dem 100-fachen früherer Experimente entspricht. ⓘ

Auswahl der Materialien

Die strukturelle Materialstabilität ist ein entscheidender Punkt. Materialien, die den hohen Temperaturen und dem Neutronenbeschuss in einem Fusionsreaktor standhalten können, gelten als Schlüssel zum Erfolg. Die Hauptprobleme sind die durch das Plasma erzeugten Bedingungen, der Neutronenabbau an den Wandoberflächen und die damit zusammenhängende Frage der Oberflächenbeschaffenheit von Plasma und Wand. Die Verringerung der Wasserstoffdurchlässigkeit wird als entscheidend für das Wasserstoffrecycling und die Kontrolle des Tritiuminventars angesehen. Materialien mit der geringsten Wasserstofflöslichkeit und -diffusionsfähigkeit sind die besten Kandidaten für stabile Barrieren. Einige reine Metalle, darunter Wolfram und Beryllium, und Verbindungen wie Karbide, dichte Oxide und Nitride sind untersucht worden. Die Forschung hat gezeigt, dass Beschichtungstechniken zur Herstellung gut haftender und perfekter Barrieren von gleicher Bedeutung sind. Die attraktivsten Verfahren sind solche, bei denen eine Haftschicht allein durch Oxidation gebildet wird. Alternative Methoden nutzen spezifische Gasumgebungen mit starken magnetischen und elektrischen Feldern. Die Bewertung der Barriereleistung stellt eine zusätzliche Herausforderung dar. Die klassische Gaspermeation mit beschichteten Membranen ist nach wie vor die zuverlässigste Methode zur Bestimmung der Effizienz der Wasserstoffpermeationsbarriere (HPB). Als Reaktion auf die zunehmende Zahl von Entwürfen für Fusionsreaktoren für das Jahr 2040 veröffentlichte die britische Atomenergiebehörde 2021 die UK Fusion Materials Roadmap 2021-2040, die sich auf fünf Schwerpunktbereiche konzentriert, wobei der Schwerpunkt auf Reaktoren der Tokamak-Familie liegt:

Neuartige Werkstoffe zur Minimierung der Aktivierungsmenge in der Struktur des Fusionskraftwerks;
Verbindungen, die im Kraftwerk verwendet werden können, um die Aufzucht von Tritiumbrennstoff zur Aufrechterhaltung des Fusionsprozesses zu optimieren;
Magnete und Isolatoren, die gegen die Bestrahlung durch Fusionsreaktionen resistent sind - insbesondere unter kryogenen Bedingungen;
Strukturwerkstoffe, die ihre Festigkeit unter Neutronenbeschuss bei hohen Betriebstemperaturen (über 550 Grad C) beibehalten können;
Technische Sicherheit für Fusionswerkstoffe - Bereitstellung von Daten aus bestrahlten Proben und modellierten Vorhersagen, so dass Konstrukteure, Betreiber und Regulierungsbehörden darauf vertrauen können, dass die Werkstoffe für den Einsatz in künftigen kommerziellen Kraftwerken geeignet sind. ⓘ

Supraleitende Materialien

SuperOx war in der Lage, innerhalb von 9 Monaten über 186 Meilen YBCO für den Einsatz in Fusionsreaktor-Magneten zu produzieren und übertraf damit die bisherigen Produktionsziele des Unternehmens deutlich. ⓘ

In einem Plasma, das in ein Magnetfeld eingebettet ist (ein so genanntes magnetisiertes Plasma), skaliert die Fusionsrate mit der Stärke des Magnetfelds in der vierten Potenz. Aus diesem Grund versuchen viele Fusionsunternehmen, die zur Steuerung ihres Plasmas auf Magnetfelder angewiesen sind, supraleitende Hochtemperaturgeräte zu entwickeln. Im Jahr 2021 entwickelte SuperOx, ein russisch-japanisches Unternehmen, ein neues Herstellungsverfahren für supraleitenden YBCO-Draht für Fusionsreaktoren. Es wurde nachgewiesen, dass dieser neue Draht zwischen 700 und 2000 Ampere pro Quadratmillimeter leitet. Das Unternehmen war in der Lage, 186 Meilen Draht in 9 Monaten zu produzieren. ⓘ

Überlegungen zum Containment

Selbst in kleineren Produktionsmaßstäben wird die Eindämmungsvorrichtung mit Materie und Energie gesprengt. Entwürfe für die Plasmahülle müssen Folgendes berücksichtigen:

Ein Heiz- und Kühlzyklus mit einer Wärmebelastung von bis zu 10 MW/m².
Neutronenstrahlung, die mit der Zeit zu Neutronenaktivierung und Versprödung führt.
Hochenergetische Ionen, die mit Dutzenden bis Hunderten von Elektronenvolt austreten.
Alphateilchen, die mit Millionen von Elektronenvolt austreten.
Elektronen, die mit hoher Energie austreten.
Lichtstrahlung (IR, sichtbar, UV, Röntgenstrahlung). ⓘ

Je nach Ansatz können diese Auswirkungen höher oder niedriger sein als bei Spaltungsreaktoren. Einer Schätzung zufolge ist die Strahlung 100-mal höher als bei einem typischen Druckwasserreaktor. Je nach Ansatz spielen auch andere Faktoren wie elektrische Leitfähigkeit, magnetische Permeabilität und mechanische Festigkeit eine Rolle. Die Materialien dürfen auch nicht als langlebiger radioaktiver Abfall enden. ⓘ

Oberflächenbedingungen der Plasmawand

Für eine langfristige Nutzung wird erwartet, dass jedes Atom in der Wand von einem Neutron getroffen und etwa 100 Mal verschoben wird, bevor das Material ersetzt wird. Hochenergetische Neutronen erzeugen durch Kernreaktionen Wasserstoff und Helium, die dazu neigen, an den Korngrenzen Blasen zu bilden, die zu Quellung, Blasenbildung oder Versprödung führen. ⓘ

Auswahl der Werkstoffe

Werkstoffe mit niedrigem Z-Wert, wie Graphit oder Beryllium, werden im Allgemeinen gegenüber Werkstoffen mit hohem Z-Wert bevorzugt, in der Regel Wolfram mit Molybdän als zweiter Wahl. Es wurden Flüssigmetalle (Lithium, Gallium, Zinn) vorgeschlagen, z. B. durch Einspritzen von 1-5 mm dicken Strömen, die mit 10 m/s auf feste Substrate fließen. ⓘ

Graphit weist eine grobe Erosionsrate durch physikalische und chemische Zerstäubung auf, die viele Meter pro Jahr beträgt und eine erneute Ablagerung des zerstäubten Materials erfordert. Die Stelle, an der das Material neu abgeschieden wird, stimmt im Allgemeinen nicht genau mit der Stelle überein, an der es gesputtert wurde, so dass es zu einer Nettoerosion kommt, die untragbar sein kann. Ein noch größeres Problem besteht darin, dass das Tritium mit dem neu abgeschiedenen Graphit wieder abgeschieden wird. Das Tritiuminventar in der Wand und im Staub könnte sich auf viele Kilogramm belaufen, was eine Verschwendung von Ressourcen und eine radiologische Gefahr im Falle eines Unfalls darstellt. Graphit hat sich als Material für kurzzeitige Experimente bewährt, aber es ist unwahrscheinlich, dass es in einem kommerziellen Reaktor als primäres plasmagestütztes Material (PFM) eingesetzt wird. ⓘ

Die Sputtering-Rate von Wolfram ist um Größenordnungen geringer als die von Kohlenstoff, und Tritium wird viel weniger in neu abgeschiedenes Wolfram eingebaut. Allerdings sind Verunreinigungen im Wolframplasma viel schädlicher als Verunreinigungen in Kohlenstoff, und die Selbstzerstäubung kann hoch sein, so dass das Plasma, das mit dem Wolfram in Berührung kommt, nicht zu heiß sein darf (einige Dutzend eV anstelle von Hunderten von eV). Bei Wolfram gibt es auch Probleme mit Wirbelströmen und Schmelzen bei ungewöhnlichen Ereignissen sowie einige radiologische Probleme. ⓘ

Sicherheit und Umwelt

Unfallpotenzial

Fusionsreaktoren sind nicht anfällig für eine katastrophale Kernschmelze. Sie erfordern präzise und kontrollierte Temperatur-, Druck- und Magnetfeldparameter, um Nettoenergie zu erzeugen, und jede Beschädigung oder jeder Verlust der erforderlichen Kontrolle würde die Reaktion schnell zum Erliegen bringen. Fusionsreaktoren arbeiten mit einem Brennstoffvorrat von Sekunden oder sogar Mikrosekunden. Ohne aktives Nachfüllen erlöschen die Reaktionen sofort. ⓘ

Die gleichen Beschränkungen verhindern Durchbruchsreaktionen. Obwohl das Plasma ein Volumen von 1.000 m³ (35.000 cu ft) oder mehr haben soll, enthält es in der Regel nur wenige Gramm Brennstoff. Im Vergleich dazu ist ein Spaltreaktor in der Regel mit genügend Brennstoff für Monate oder Jahre beladen, und es ist kein zusätzlicher Brennstoff erforderlich, um die Reaktion fortzusetzen. Dieser große Brennstoffvorrat ist es, der die Möglichkeit einer Kernschmelze bietet. ⓘ

Im magnetischen Sicherheitsbehälter entwickeln sich starke Felder in Spulen, die durch die Reaktorstruktur mechanisch festgehalten werden. Ein Versagen dieser Struktur könnte diese Spannung lösen und den Magneten nach außen "explodieren" lassen. Die Schwere dieses Ereignisses wäre vergleichbar mit anderen Industrieunfällen oder der Löschung/Explosion eines Kernspintomographen und könnte in einem Containment-Gebäude, wie es in Spaltungsreaktoren verwendet wird, wirksam eingedämmt werden. ⓘ

Beim lasergesteuerten Trägheitsbehälter wird durch die größere Größe der Reaktionskammer die Belastung der Materialien verringert. Obwohl ein Versagen der Reaktionskammer möglich ist, verhindert die Unterbrechung der Brennstoffzufuhr ein katastrophales Versagen. ⓘ

Die meisten Reaktorkonzepte verwenden flüssigen Wasserstoff als Kühlmittel und zur Umwandlung von Streuneutronen in Tritium, das als Brennstoff in den Reaktor zurückgeführt wird. Wasserstoff ist brennbar, und es ist möglich, dass sich der vor Ort gelagerte Wasserstoff entzündet. In diesem Fall würde der Tritiumanteil des Wasserstoffs in die Atmosphäre gelangen und ein Strahlungsrisiko darstellen. Berechnungen legen nahe, dass in einem typischen Kraftwerk etwa 1 Kilogramm Tritium und andere radioaktive Gase vorhanden wären. Die Menge ist so gering, dass sie sich bis zum Erreichen der Umzäunung des Kraftwerks auf gesetzlich zulässige Werte verdünnen würde. ⓘ

Die Wahrscheinlichkeit kleinerer Industrieunfälle, einschließlich der lokalen Freisetzung von Radioaktivität und der Verletzung von Mitarbeitern, wird im Vergleich zur Kernspaltung als gering eingeschätzt. Dazu gehören unbeabsichtigte Freisetzungen von Lithium oder Tritium oder die falsche Handhabung radioaktiver Reaktorkomponenten. ⓘ

Magnetische Abschreckung

Eine Magnetabschaltung ist eine anormale Beendigung des Magnetbetriebs, die auftritt, wenn ein Teil der supraleitenden Spule den supraleitenden Zustand verlässt (normal wird). Dies kann passieren, weil das Feld im Magneten zu groß ist, die Änderungsrate des Feldes zu groß ist (was Wirbelströme und eine daraus resultierende Erwärmung der Kupfermatrix zur Folge hat) oder eine Kombination aus beidem. ⓘ

Seltener kann ein Magnetdefekt eine Abschreckung verursachen. In diesem Fall kommt es an dieser Stelle zu einer schnellen Joule'schen Erwärmung durch den Strom, wodurch die Temperatur der umliegenden Regionen ansteigt. Dadurch werden diese Regionen ebenfalls in den Normalzustand versetzt, was in einer Kettenreaktion zu einer weiteren Erwärmung führt. Je nach Größe der supraleitenden Spule wird der gesamte Magnet innerhalb mehrerer Sekunden in den Normalzustand versetzt. Dies wird von einem lauten Knall begleitet, wenn die Energie im Magnetfeld in Wärme umgewandelt wird und die kryogene Flüssigkeit verdampft. Der abrupte Stromabfall kann zu induktiven Spannungsspitzen im Kilovoltbereich und Lichtbögen führen. Dauerhafte Schäden am Magneten sind selten, aber Komponenten können durch örtliche Erwärmung, hohe Spannungen oder große mechanische Kräfte beschädigt werden. ⓘ

In der Praxis verfügen Magnete in der Regel über Sicherheitsvorrichtungen, die den Strom stoppen oder begrenzen, wenn eine Abschreckung erkannt wird. Kommt es bei einem großen Magneten zu einer Abschreckung, kann der durch die verdampfende kryogene Flüssigkeit gebildete inerte Dampf eine erhebliche Erstickungsgefahr für das Personal darstellen, da er die Atemluft verdrängt. ⓘ

Ein großer Teil der supraleitenden Magnete im Large Hadron Collider des CERN wurde während der Inbetriebnahme im Jahr 2008 unerwartet abgeschreckt, wobei mehrere Magnete zerstört wurden. Um eine Wiederholung zu verhindern, sind die supraleitenden Magnete des LHC mit schnell schaltenden Heizungen ausgestattet, die aktiviert werden, wenn ein Abschreckungsereignis festgestellt wird. Die Dipol-Biegemagnete sind in Reihe geschaltet. Jeder Stromkreis umfasst 154 einzelne Magnete, und wenn ein Quench-Ereignis eintritt, muss die gesamte gespeicherte Energie dieser Magnete auf einmal abgelassen werden. Diese Energie wird in massive Metallblöcke umgewandelt, die sich in Sekundenschnelle auf mehrere hundert Grad Celsius erhitzen - aufgrund der Widerstandsheizung. Eine Magnetabschreckung ist ein "ziemlich routinemäßiges Ereignis" während des Betriebs eines Teilchenbeschleunigers. ⓘ

Abwässer

Das natürliche Produkt der Fusionsreaktion ist eine geringe Menge Helium, die für das Leben unschädlich ist. Das gefährliche Tritium lässt sich nur schwer vollständig zurückhalten. Während des normalen Betriebs wird ständig Tritium freigesetzt. ⓘ

Obwohl Tritium flüchtig und biologisch aktiv ist, ist das Gesundheitsrisiko, das von einer Freisetzung ausgeht, aufgrund der kurzen Halbwertszeit von Tritium (12,32 Jahre) und der sehr geringen Zerfallsenergie (~14,95 keV) sowie der Tatsache, dass es sich nicht bioakkumuliert (es verlässt den Körper als Wasser mit einer biologischen Halbwertszeit von 7 bis 14 Tagen), viel geringer als bei den meisten radioaktiven Schadstoffen. ITER verfügt über Einrichtungen zum vollständigen Einschluss von Tritium. ⓘ

Radioaktive Abfälle

Fusionsreaktoren erzeugen weit weniger radioaktives Material als Spaltungsreaktoren. Darüber hinaus ist das erzeugte Material biologisch weniger schädlich, und die Radioaktivität baut sich innerhalb eines Zeitraums ab, der weit unter den bestehenden technischen Möglichkeiten für eine sichere langfristige Abfalllagerung liegt. Konkret bedeutet dies, dass der Neutronenfluss - außer im Fall der aneutronischen Fusion - die Strukturmaterialien radioaktiv macht. Die Menge an radioaktivem Material bei der Abschaltung kann mit der eines Spaltreaktors vergleichbar sein, mit wichtigen Unterschieden. Die Halbwertszeit der Fusionsradioisotope ist in der Regel geringer als die der Spaltungsradioisotope, so dass die Gefahr schneller abnimmt. Während bei Spaltungsreaktoren Abfälle anfallen, die über Tausende von Jahren radioaktiv bleiben, bestünde das radioaktive Material in einem Fusionsreaktor (mit Ausnahme des Tritiums) aus dem Reaktorkern selbst, und der größte Teil davon wäre etwa 50 Jahre lang radioaktiv, während andere schwach radioaktive Abfälle noch etwa 100 Jahre lang radioaktiv wären. Obwohl diese Abfälle in diesen 50 Jahren wesentlich radioaktiver sind als Spaltabfälle, stellt ihre kurze Halbwertszeit kein Problem für die langfristige Lagerung dar. Nach 500 Jahren würde das Material die gleiche Radiotoxizität aufweisen wie Kohleasche. Dennoch kann die Einstufung als mittelaktive Abfälle und nicht als schwachaktive Abfälle die Sicherheitsdiskussionen erschweren. ⓘ

Die Auswahl der Materialien ist weniger eingeschränkt als bei der konventionellen Kernspaltung, bei der viele Materialien aufgrund ihrer spezifischen Neutronenquerschnitte erforderlich sind. Fusionsreaktoren können unter Verwendung von Materialien mit "geringer Aktivierung" konstruiert werden, die nicht leicht radioaktiv werden. Vanadium zum Beispiel wird viel weniger radioaktiv als rostfreier Stahl. Kohlenstofffasermaterialien haben ebenfalls eine niedrige Aktivierung, sind stabil und leicht und sind vielversprechend für Laser-Inertialreaktoren, für die kein Magnetfeld erforderlich ist. ⓘ

Nukleare Proliferation

Die Technologie der Kernfusion weist nur eine begrenzte Schnittmenge mit der Kernwaffentechnologie auf. Jedoch kann durch die Kernfusion theoretisch Material für Atomwaffen produziert werden und somit das Risiko einer Verbreitung von Kernwaffen erhöht sein. ⓘ

Als die schnellste Möglichkeit, waffenfähiges Material zu produzieren, wird die Modifikation eines kommerziellen Fusionsreaktors angesehen. Anders als bei einem auf Kernspaltung beruhenden Kraftwerk liegt bei einem reinen Fusionsreaktor ohne Umrüstung kein für Kernwaffen verwendbares Material vor. ⓘ

In Fusionsreaktoren entstehen große Mengen Tritium und ein unerlaubtes Abzweigen eines geringen, für militärische Nutzung aber ausreichenden Anteils gilt als kaum kontrollierbar. Bereits einige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gemischs können die Energiefreisetzung einer Atombombe und damit deren Zerstörungskraft deutlich steigern. Die Methode ist unter dem Begriff Fusions-Booster bekannt. Tritium entsteht zwar auch als radioaktives Abfallprodukt in herkömmlichen Kernreaktoren, insbesondere in Schwerwasserreaktoren, wird üblicherweise jedoch weder abgetrennt noch zum Reinstoff konzentriert. Die Gefahr zur Proliferation geht dabei sowohl von dem Tritium selbst aus als auch von dem Wissen um die Details seiner Herstellung. ⓘ

Soweit im Brutmantel eines Fusionsreaktors angereichertes ⁶Li verwendet wird, müssen entsprechende großtechnische Anlagen zur Lithium-Anreichung errichtet werden. Schließlich ist mit angereichertem ⁶Li auch direkte Proliferation denkbar. Wasserstoffbomben erreichen mit angereichertem ⁶Li eine höhere Sprengkraft als mit natürlichem Lithium. ⓘ

Die Herstellung kernwaffenfähigen Plutoniums oder Urans ist prinzipiell durch die vom Fusionsreaktor ausgesendete harte Neutronenstrahlung möglich, beispielsweise per Transmutation von ²³⁸U zu ²³⁹Pu, oder ²³²Th zu ²³³U. ⓘ

Eine Studie von R. J. Goldston, A. Glaser und A. F. Ross untersuchte die Risiken einer Kernwaffenverbreitung durch Fusionsreaktoren und analysierte verschiedene Szenarien zur Herstellung von waffenfähigem Plutonium oder Uran. Wegen eines deutlich höheren Energieverbrauchs, der damit verbundenen Hitzefreisetzung und einer auffälligen Konstruktion wurde in dieser Studie der Einsatz selbst eines kleinen Fusionsreaktors gegenüber Gaszentrifugen als sehr unplausibel bewertet. ⓘ

Im regulären Betrieb zur zivilen Energieproduktion käme in reinen Fusionskraftwerken kein brütbares oder spaltbares Material vor. Ohne Abschirmung könne man diese Materialien recht gut über die von ihnen ausgesendete Gammastrahlung charakteristischer Energie detektieren. Dies wäre ein starker Hinweis auf eine militärische Nutzung der Anlage. Einige der möglichen technischen Modifikationen, welche brütbares Material in sehr niedriger Konzentration in die Kühlsubstanz einleiten und wieder extrahieren, wären wegen ihrer Abmessungen vor Inspektoren vermutlich nicht zu verheimlichen. Auch wäre bei dieser Methode eine anschließende Aufarbeitung des Materials äußerst aufwändig. Der Einbau eines Moduls des Brutmantels, welches beispielsweise unerlaubt mit Uranoxid ausgestattet wäre, wird als realistischste Gefahr einer Waffenverbreitung beschrieben. Die Studie hält es für notwendig, dass durch eine Kontrolle der angelieferten Komponenten solche Möglichkeiten unterbunden werden, es könne andernfalls Plutonium für mehrere Kernwaffen jährlich produziert werden. ⓘ

Selbst ohne die Notwendigkeit verdeckten Handelns würden zwei Monate benötigt um die Produktion aufzunehmen und mindestens eine weitere Woche um eine nennenswerte Menge für eine Waffenproduktion zu erhalten. Diese Zeitspanne sei lang genug, um eine militärische Nutzung zu entdecken und mit diplomatischen Mitteln oder auch mit einer militärischen Zerstörung von Teilen der Anlage zu reagieren. Anders als bei einem Kernkraftwerk müssten nur Nebenstrukturen zerstört werden, um die gesamte Produktion lahmzulegen, die intrinsische Sicherheit der Fusionskraftwerke hinzugenommen würde das Risiko einer radioaktiven Kontamination gering sein. ⓘ

Eine andere Studie kommt zum Schluss, dass große Fusionsreaktoren jährlich bis zu einigen hundert Kilogramm Plutonium mit großer Tauglichkeit für Waffen produzieren könnten, mit vergleichbar niedrigen Anforderungen an das Ausgangsmaterial. Die Autoren weisen darauf hin, dass intrinsische Sicherheitsmerkmale, die eine militärische Nutzung erschweren, vielleicht nur noch in dem jetzigen, frühen Forschungsstadium implementiert werden können. ⓘ

Brennstoffreserven

Für die Fusionsenergie wird in der Regel Deuterium als Brennstoff vorgeschlagen, und viele aktuelle Entwürfe verwenden auch Lithium. Wenn man davon ausgeht, dass die Fusionsenergieleistung der weltweiten Stromerzeugung von 1995 von etwa 100 EJ/Jahr (= 1 × 10²⁰ J/Jahr) entspricht und diese in Zukunft nicht weiter ansteigt, was unwahrscheinlich ist, dann würden die derzeit bekannten Lithiumreserven 3000 Jahre reichen. Lithium aus Meerwasser würde dagegen 60 Millionen Jahre reichen, und ein komplizierterer Fusionsprozess, der nur Deuterium verwendet, hätte Brennstoff für 150 Milliarden Jahre. Zum Vergleich: 150 Milliarden Jahre sind fast das 30fache der verbleibenden Lebensdauer der Sonne und mehr als das 10fache des geschätzten Alters des Universums. ⓘ

Wirtschaft

Die EU hat in den 1990er Jahren fast 10 Milliarden € ausgegeben. ITER stellt eine Investition von mehr als zwanzig Milliarden Dollar dar, möglicherweise sogar noch einige zehn Milliarden mehr, einschließlich Sachleistungen. Im Rahmen des Sechsten Rahmenprogramms der Europäischen Union erhielt die Kernfusionsforschung 750 Millionen Euro (zusätzlich zu den ITER-Mitteln), verglichen mit 810 Millionen Euro für die Forschung im Bereich der nachhaltigen Energie, womit die Forschung im Bereich der Fusionsenergie weit vor allen anderen konkurrierenden Technologien liegt. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat seit 2010 jedes Jahr zwischen 367 und 671 Mio. USD bereitgestellt, mit einem Höchststand im Jahr 2020 und Plänen zur Reduzierung der Investitionen auf 425 Mio. USD in seinem Haushaltsantrag für das GJ 2021. Etwa ein Viertel dieses Budgets ist für die Unterstützung von ITER bestimmt. ⓘ

Aufgrund des Umfangs der Investitionen und der zeitlichen Fristen wurde die Fusionsforschung bisher fast ausschließlich öffentlich finanziert. In den letzten Jahren hat die Aussicht auf die Kommerzialisierung einer paradigmatischen, kohlenstoffarmen Energiequelle jedoch eine ganze Reihe von Unternehmen und Investoren angezogen. Mehr als zwei Dutzend Start-up-Unternehmen haben im Zeitraum von etwa 2000 bis 2020 mehr als eine Milliarde Dollar erhalten, vor allem ab 2015, und weitere drei Milliarden Dollar an Finanzmitteln und Meilensteinverpflichtungen im Jahr 2021, mit Investoren wie Jeff Bezos, Peter Thiel und Bill Gates sowie institutionellen Anlegern wie Legal & General und Energieunternehmen wie Equinor, Eni, Chevron und der chinesischen ENN Group. In jüngster Zeit haben private Fusionsunternehmen Investitionen in Milliardenhöhe angezogen. So erhielt Commonwealth Fusion Systems (CFS) im Jahr 2021 eine Scale-up-Finanzierung in Höhe von 1,8 Milliarden Dollar, und Helion Energy erhielt eine halbe Milliarde Dollar, wobei weitere 1,7 Milliarden Dollar vom Erreichen von Meilensteinen abhängen. ⓘ

In den 2000er und frühen 2010er Jahren wurden Szenarien entwickelt, in denen die Auswirkungen der Kommerzialisierung der Fusionsenergie auf die Zukunft der menschlichen Zivilisation diskutiert wurden. Ausgehend von der Kernspaltung sahen diese Szenarien vor, dass ITER und später DEMO die ersten kommerziellen Reaktoren um 2050 in Betrieb nehmen und nach der Jahrhundertmitte eine rasche Expansion erfolgen würde. Einige Szenarien betonten "Kernfusionsforschungsanlagen" als einen Schritt über ITER hinaus. Die wirtschaftlichen Hindernisse für die Fusionsenergie auf Tokamak-Basis sind jedoch nach wie vor immens und erfordern Investitionen zur Finanzierung von Prototyp-Tokamak-Reaktoren und zur Entwicklung neuer Lieferketten. Tokamak-Designs scheinen arbeitsintensiv zu sein, während das Kommerzialisierungsrisiko von Alternativen wie Trägheitsfusionsenergie aufgrund fehlender staatlicher Mittel hoch ist. ⓘ

In den seit 2010 erstellten Szenarien wird auf Fortschritte in der Computer- und Materialwissenschaft hingewiesen, die mehrstufige nationale Fusionspilotanlagen (FPP) oder Anlagen mit Kostenteilung entlang verschiedener technologischer Pfade ermöglichen, wie z. B. den kugelförmigen Tokamak des Vereinigten Königreichs für die Energieerzeugung im Zeitrahmen 2030-2040. Im Juni 2021 kündigte General Fusion an, das Angebot der britischen Regierung anzunehmen, die weltweit erste große Fusions-Demonstrationsanlage in öffentlich-privater Partnerschaft im Culham Centre for Fusion Energy zu errichten. Die Anlage wird von 2022 bis 2025 gebaut und soll den Weg für kommerzielle Pilotanlagen in den späten 2025er Jahren ebnen. Die Anlage wird 70 % des vollen Maßstabs erreichen und soll ein stabiles Plasma von 150 Millionen Grad erzeugen. In den Vereinigten Staaten sind öffentlich-private Partnerschaften zur Kostenteilung wahrscheinlich. Die auf solchen Demonstrationsanlagen basierende kompakte Reaktortechnologie könnte ab den 2030er Jahren eine Kommerzialisierung über ein Flottenkonzept ermöglichen, wenn es gelingt, erste Märkte zu finden. ⓘ

Die weit verbreitete Einführung nicht-nuklearer erneuerbarer Energien hat die Energielandschaft verändert. Prognosen zufolge werden diese erneuerbaren Energien bis 2050 74 % des weltweiten Energiebedarfs decken. Der stetige Preisverfall bei den erneuerbaren Energien stellt die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit der Fusionsenergie in Frage. ⓘ

Nivellierte Energiekosten (LCOE) für verschiedene Energiequellen, darunter Wind-, Solar- und Kernenergie. ⓘ

Einige Wirtschaftswissenschaftler sind der Ansicht, dass die Fusionsenergie wahrscheinlich nicht mit den Kosten anderer erneuerbarer Energien mithalten kann. Es wird erwartet, dass Fusionskraftwerke mit hohen Anlauf- und Kapitalkosten verbunden sind. Außerdem werden Betrieb und Wartung wahrscheinlich kostspielig sein. Während die Kosten des CFETR nicht genau bekannt sind, wurde für ein EU-DEMO-Fusionskonzept mit Energiekosten (LCOE) von 121 $/MWh gerechnet. ⓘ

Darüber hinaus gehen Wirtschaftswissenschaftler davon aus, dass die Kosten für Fusionsenergie um 16,5 $/MWh pro 1 Mrd. $ Preissteigerung bei der Fusionstechnologie steigen. Diese hohen Energiekosten sind weitgehend auf die Baukosten zurückzuführen. ⓘ

Im Gegensatz dazu sind die geschätzten Energiekosten für erneuerbare Energien wesentlich niedriger. So wurden die Stromgestehungskosten für Solarenergie für 2019 auf 40 bis 46 $/MWh, für Windkraft an Land auf 29 bis 56 $/MWh und für Offshore-Windkraft auf etwa 92 $/MWh geschätzt. ⓘ

Je nachdem, wie die Prioritäten der Regierung in Bezug auf Energie und Umweltgerechtigkeit den Markt beeinflussen, kann die Fusionsenergie dennoch eine Rolle dabei spielen, die von den erneuerbaren Energien hinterlassenen Energielücken zu schließen. So könnte die Fusionsenergie in Verbindung mit anderen erneuerbaren Energiequellen eingesetzt werden, anstatt zur primären Energiequelle zu werden. In einigen Anwendungsbereichen könnte die Fusionsenergie die Grundlast liefern, insbesondere wenn sie eine integrierte thermische Speicherung und Kraft-Wärme-Kopplung umfasst und das Potenzial für die Nachrüstung von Kohlekraftwerken berücksichtigt. ⓘ

Regulierung

Da Fusionspilotanlagen in greifbare Nähe rücken, müssen rechtliche und regulatorische Fragen geklärt werden. Im September 2020 beriet sich die Nationale Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten mit privaten Fusionsunternehmen, um eine nationale Pilotanlage in Betracht zu ziehen. Im darauffolgenden Monat veranstalteten das Energieministerium der Vereinigten Staaten, die Nuclear Regulatory Commission (NRC) und die Fusion Industry Association gemeinsam ein öffentliches Forum, um den Prozess einzuleiten. Im November 2020 begann die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO) mit verschiedenen Ländern an der Ausarbeitung von Sicherheitsstandards zu arbeiten, z. B. in Bezug auf Dosisregelungen und den Umgang mit radioaktiven Abfällen. Im Januar und März 2021 veranstaltete die NRC zwei öffentliche Sitzungen zu den rechtlichen Rahmenbedingungen. Ein öffentlich-privater Ansatz zur Kostenteilung wurde im H.R.133 Consolidated Appropriations Act vom 27. Dezember 2021 befürwortet, der 325 Millionen Dollar über fünf Jahre für ein Partnerschaftsprogramm zum Bau von Fusions-Demonstrationsanlagen bewilligte, wobei die Privatwirtschaft 100 % der Kosten übernehmen muss. In der Folge veröffentlichte der britische Regulatory Horizons Council einen Bericht, in dem er einen Rechtsrahmen für die Fusion bis Anfang 2022 forderte, um das Vereinigte Königreich als weltweit führend bei der Kommerzialisierung der Fusionsenergie zu positionieren. Die britische Regierung kam dieser Forderung nach und veröffentlichte im Oktober 2021 sowohl ihr Grünbuch zur Fusion als auch ihre Fusionsstrategie, um die Fusion zu regulieren bzw. zu kommerzialisieren. ⓘ

Geopolitik

Angesichts des Potenzials der Kernfusion, die weltweite Energiewirtschaft umzugestalten und den Klimawandel einzudämmen, wird die Fusionswissenschaft traditionell als integraler Bestandteil der friedensstiftenden Wissenschaftsdiplomatie angesehen. Die technologischen Entwicklungen und die Beteiligung des Privatsektors haben jedoch Bedenken hinsichtlich des geistigen Eigentums, der Regulierungsverwaltung, der globalen Führungsrolle, der Gleichberechtigung und der möglichen Bewaffnung aufgeworfen. Dies stellt die friedensstiftende Rolle von ITER in Frage und führte zu Forderungen nach einer globalen Kommission. Ein signifikanter Beitrag der Fusionsenergie zum Klimawandel bis 2050 scheint unwahrscheinlich, wenn nicht wesentliche Durchbrüche erzielt werden und sich eine Mentalität des Wettlaufs im Weltraum einstellt, aber ein Beitrag bis 2100 scheint möglich, wobei das Ausmaß von der Art und insbesondere den Kosten der technologischen Wege abhängt. ⓘ

Die Entwicklungen ab Ende 2020 haben dazu geführt, dass von einem "neuen Wettlauf ins All" mit mehreren Teilnehmern gesprochen wird, bei dem die USA gegen China und das britische STEP FPP antreten. Am 24. September billigte das Repräsentantenhaus der Vereinigten Staaten ein Forschungs- und Kommerzialisierungsprogramm. Der Abschnitt über die Fusionsenergieforschung beinhaltet ein auf Meilensteinen basierendes Programm mit Kostenteilung und öffentlich-privaten Partnerschaften nach dem Vorbild des COTS-Programms der NASA, mit dem die kommerzielle Raumfahrtindustrie ins Leben gerufen wurde. Im Februar 2021 veröffentlichten die National Academies die Publikation Bringing Fusion to the U.S. Grid, in der sie eine marktorientierte Anlage mit Kostenteilung für die Jahre 2035-2040 empfahlen, und es folgte die Gründung des Congressional Bipartisan Fusion Caucus. ⓘ

Im Dezember 2020 überprüfte ein unabhängiges Expertengremium den Entwurf und die Forschungs- und Entwicklungsarbeit von EUROfusion zu DEMO, und EUROfusion bestätigte, dass es mit seiner Roadmap zur Fusionsenergie fortfahre und mit der Konzeption von DEMO in Zusammenarbeit mit der europäischen Fusionsgemeinschaft beginne, was darauf hindeutet, dass eine von der EU unterstützte Anlage ins Rennen gegangen ist. ⓘ

Vorteile

Die Fusionsenergie verspricht mehr Energie für ein bestimmtes Gewicht an Brennstoff zu liefern als jede andere derzeit genutzte brennstoffverbrauchende Energiequelle. Der Brennstoff (in erster Linie Deuterium) ist im Meer reichlich vorhanden: Etwa 1 von 6500 Wasserstoffatomen im Meerwasser ist Deuterium. Das sind zwar nur etwa 0,015 %, aber Meerwasser ist reichlich vorhanden und leicht zugänglich, was bedeutet, dass die Fusion den weltweiten Energiebedarf für Millionen von Jahren decken könnte. ⓘ

Fusionskraftwerke der ersten Generation werden voraussichtlich den Deuterium-Tritium-Brennstoffkreislauf nutzen. Dies erfordert die Verwendung von Lithium zur Erzeugung des Tritiums. Es ist nicht bekannt, wie lange die weltweiten Lithiumvorräte ausreichen werden, um diesen Bedarf sowie den Bedarf der Batterie- und Metallurgieindustrie zu decken. Es ist zu erwarten, dass die Anlagen der zweiten Generation auf die anspruchsvollere Deuterium-Deuterium-Reaktion umsteigen werden. Die Deuterium-Helium-3-Reaktion ist ebenfalls von Interesse, aber das leichte Heliumisotop ist auf der Erde praktisch nicht vorhanden. Man geht davon aus, dass es im Mondregolithen in nützlichen Mengen vorkommt und in den Atmosphären der Gasriesenplaneten reichlich vorhanden ist. ⓘ

Die Fusionsenergie könnte für den so genannten "Deep Space"-Antrieb innerhalb des Sonnensystems und für die interstellare Raumfahrt genutzt werden, wo Sonnenenergie nicht zur Verfügung steht, auch über Antimaterie-Fusions-Hybridantriebe. ⓘ

Geschichte

Die Geschichte der Fusionsenergie begann Anfang des 20. Jahrhunderts mit der Untersuchung der Frage, wie sich Sterne selbst mit Energie versorgen, und weitete sich zu einer umfassenden Untersuchung der Natur von Materie und Energie aus, während sich die potenziellen Anwendungen auf die Bereiche Kriegsführung, Raketenantrieb und Energieerzeugung ausweiteten. Leider wurde die Erzeugung von Elektrizität durch Fusion in den letzten 50 Jahren als 30 Jahre in der Zukunft liegend prognostiziert, und vielleicht ist es immer noch so weit entfernt. ⓘ

Die Geschichte der Kernfusion ist eine verworrene Mischung aus kernphysikalischen Untersuchungen und der parallelen Erforschung technischer Herausforderungen, die von der Suche nach geeigneten Materialien und Brennstoffen bis hin zur Verbesserung von Heiz- und Einschlussverfahren reichen.

Das erste von Menschenhand geschaffene Gerät, das gezündet werden konnte, war die Detonation dieses Fusionsgeräts mit dem Codenamen Ivy Mike. ⓘ

Frühes Foto des Plasmas in einer Quetschmaschine (Imperial College 1950-1951) ⓘ

Das Streben nach Fusionsenergie hat von Anfang an verschiedene Wege beschritten. Ansätze wie die Pinch-Konstruktion scheiterten an Hindernissen, die bis heute nicht überwunden werden konnten. Zu den Überlebenden gehören Konzepte mit magnetischem Einschluss, wie Tokamak und Stellarator, sowie ICF-Geräte wie Laser und elektrostatischer Einschluss. ⓘ

Die erste erfolgreiche, von Menschenhand geschaffene Fusionsvorrichtung war die verstärkte Spaltungswaffe, die 1951 im Greenhouse-Item-Test getestet wurde. Die erste echte Fusionswaffe war 1952 der Ivy Mike, und das erste praktische Beispiel war 1954 der Castle Bravo. ⓘ

Frühe Projekte

Stellarator

Der Stellarator war der erste Kandidat, der dem bekannteren Tokamak vorausging. Er wurde von Lyman Spitzer entwickelt. Auch wenn die Fusion nicht sofort eintrat, führte das Projekt zur Gründung des Princeton Plasma Physics Laboratory. ⓘ

Das erste Experiment zur kontrollierten thermonuklearen Fusion wurde 1958 mit Scylla I am LANL durchgeführt. Scylla I war eine θ-Pinch-Maschine mit einem mit Deuterium gefüllten Zylinder. ⓘ

Tokamak

Das Konzept des Tokamak wurde 1950-1951 von I.E. Tamm und A.D. Sacharow in der Sowjetunion entwickelt. Der Tokamak kombinierte im Wesentlichen ein Pinch-Gerät mit geringer Leistung mit einem Stellarator mit geringer Leistung. ⓘ

Die Gruppe von A.D. Sacharow konstruierte die ersten Tokamaks und erzielte die erste quasistationäre Fusionsreaktion^{:90 ⓘ}

Trägheitseinschluss

Die Laserfusion wurde 1962 von Wissenschaftlern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) vorgeschlagen, kurz nach der Erfindung des Lasers im Jahr 1960. Die Forschung zur Trägheitsfusion (mit Lasern) begann bereits 1965.

Shiva-Laser, 1977, das größte ICF-Lasersystem, das in den siebziger Jahren gebaut wurde

Das Tandem-Spiegel-Experiment (TMX) im Jahr 1979 ⓘ

Im LLNL wurden mehrere Lasersysteme gebaut. Dazu gehörten der Argus, der Cyclops, der Janus, der Long Path, der Shiva-Laser und der Nova. ⓘ

Zu den Fortschritten in der Lasertechnik gehörten frequenzverdreifachende Kristalle, die infrarote Laserstrahlen in ultraviolette Strahlen umwandelten, und das "Chirping", bei dem eine einzelne Wellenlänge in ein vollständiges Spektrum umgewandelt wurde, das verstärkt und dann in eine Frequenz rekonstituiert werden konnte. Die Laserforschung verschlang auch Geld, in den 1980er Jahren mehr als eine Milliarde Dollar. ⓘ

Entwicklung

Im Laufe der Zeit entwickelte sich das Konzept des "fortgeschrittenen Tokamaks", das ein nicht kreisförmiges Plasma, interne Ablenker und Begrenzer, supraleitende Magnete und den Betrieb im so genannten "H-Modus" mit erhöhter Stabilität vorsah. Der kompakte Tokamak mit den Magneten an der Innenseite der Vakuumkammer.

Die Magnetspiegel litten unter Endverlusten und erforderten komplexe Magnetkonstruktionen mit hoher Leistung, wie die hier abgebildete Baseball-Spule.

Die Novette-Targetkammer (Metallkugel mit radial vorstehenden Diagnosegeräten), die aus dem Shiva-Projekt wiederverwendet wurde, und zwei neu gebaute Laserketten, die im Hintergrund zu sehen sind.

Die Trägheitsfusionsimplosion mit dem Nova-Laser war in den 1980er Jahren ein wichtiger Motor für die Entwicklung der Fusion. ⓘ

1980s

In den 1980er Jahren wurden die Tokamaks Tore Supra, JET, T-15 und JT-60 gebaut. Im Jahr 1984 schlug Martin Peng vom ORNL einen kugelförmigen Tokamak mit einem viel kleineren Radius vor. Er verwendete einen einzigen großen Leiter in der Mitte, von dem die Magnete als Halbringe abstanden. Das Seitenverhältnis sank bis auf 1,2.^:B247^:225 Wengs Vorschlag weckte das Interesse von Derek Robinson, der den Small Tight Aspect Ratio Tokamak (START) baute. ⓘ

1990s

1991 gelang mit dem Preliminary Tritium Experiment im Joint European Torus die weltweit erste kontrollierte Freisetzung von Fusionsenergie. ⓘ

1996 erzeugte Tore Supra zwei Minuten lang ein Plasma mit einer Stromstärke von fast 1 Million Ampere und insgesamt 280 MJ an eingespeister und entzogener Energie. ⓘ

1997 erzeugte JET einen Spitzenwert von 16,1 MW an Fusionsenergie (65 % der Wärme wird in Plasma umgewandelt) mit einer Fusionsenergie von über 10 MW, die über 0,5 Sekunden lang aufrechterhalten wurde. ⓘ

2000s

Der kugelförmige Mega-Ampere-Tokamak wurde 1999 im Vereinigten Königreich in Betrieb genommen. ⓘ

Die "schnelle Zündung" sparte Energie und brachte die ICF ins Rennen um die Energieerzeugung. ⓘ

2006 wurde Chinas EAST-Testreaktor fertiggestellt. Es war der erste Tokamak, der supraleitende Magnete zur Erzeugung von toroidalen und poloidalen Feldern verwendete. ⓘ

Im März 2009 wurde die lasergesteuerte ICF NIF in Betrieb genommen. ⓘ

In den 2000er Jahren stiegen private Fusionsunternehmen in das Rennen ein, darunter Tri Alpha Energy, General Fusion und Tokamak Energy. ⓘ

2010s

Die Vorverstärker der National Ignition Facility. Im Jahr 2012 erreichte die NIF einen 500-Terawatt-Schuss. ⓘ

Der Wendelstein7X im Bau ⓘ

Beispiel für ein Stellarator-Design: Ein Spulensystem (blau) umgibt das Plasma (gelb). Eine Magnetfeldlinie ist auf der gelben Plasmaoberfläche grün hervorgehoben. ⓘ

Die private und öffentliche Forschung wurde in den 2010er Jahren beschleunigt. General Fusion entwickelte die Technologie der Plasmainjektoren und Tri Alpha Energy testete sein C-2U-Gerät. Der französische Laser Mégajoule nahm seinen Betrieb auf. Die NIF erzielte 2013 einen Nettoenergiegewinn, der im engeren Sinne als heißer Punkt im Kern des kollabierten Targets und nicht als ganzes Target definiert ist. ⓘ

2014 verkaufte Phoenix Nuclear Labs einen hochleistungsfähigen Neutronengenerator, der 5×10¹¹ Deuteriumfusionsreaktionen pro Sekunde über einen Zeitraum von 24 Stunden aufrechterhalten kann. ⓘ

Im Jahr 2015 kündigte das MIT einen Tokamak mit dem Namen ARC-Fusionsreaktor an, bei dem supraleitende Bänder aus Barium-Kupferoxid mit seltenen Erden (REBCO) zur Herstellung von Spulen mit hohem Magnetfeld verwendet werden, die angeblich eine vergleichbare Magnetfeldstärke in einer kleineren Konfiguration als andere Designs erzeugen können. Im Oktober schlossen Forscher des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik den Bau des bisher größten Stellarators, des Wendelstein 7-X, ab. Schon bald produzierte er Helium- und Wasserstoffplasmen, die bis zu 30 Minuten andauerten. ⓘ

Im Jahr 2017 wurde die Plasmamaschine der fünften Generation von Helion Energy in Betrieb genommen. Die ST40 von Tokamak Energy aus dem Vereinigten Königreich erzeugte "erstes Plasma". Im darauffolgenden Jahr kündigte Eni eine Investition von 50 Millionen US-Dollar in Commonwealth Fusion Systems an, um die ARC-Technologie des MIT zu kommerzialisieren. ⓘ

2020s

Im Januar 2021 kündigte SuperOx die Kommerzialisierung eines neuen supraleitenden Drahtes mit einer Stromstärke von über 700 A/mm2 an. ⓘ

TAE Technologies gab die Ergebnisse für sein Norman-Gerät bekannt, das 30 Millisekunden lang eine Temperatur von etwa 60 Millionen °C (108 Millionen °F) hält, was acht- bzw. zehnmal höher ist als bei den früheren Geräten des Unternehmens. ⓘ

Im Oktober stellte das in Oxford ansässige Unternehmen First Light Fusion sein Projekt der Projektilfusion vor, bei dem eine Aluminiumscheibe auf ein Fusionsziel geschossen wird, das durch einen elektrischen Impuls von 9 Megaampere beschleunigt wird und Geschwindigkeiten von 20 Kilometern pro Sekunde erreicht. Die dabei entstehende Fusion erzeugt Neutronen, deren Energie als Wärme aufgefangen wird. ⓘ

Am 8. November behauptete die National Ignition Facility in einem eingeladenen Vortrag auf der 63. Jahrestagung der APS-Abteilung für Plasmaphysik, am 8. August 2021 zum ersten Mal in der über 60-jährigen Geschichte des ICF-Programms eine Fusionszündung im Labor ausgelöst zu haben. Der Schuss lieferte 1,3 Megajoule Fusionsenergie, eine mehr als 8-fache Verbesserung gegenüber den Tests im Frühjahr 2021. NIF schätzt, dass 230 Kilojoule Energie die Brennstoffkapsel erreicht haben, was zu einer fast 6-fachen Energieabgabe der Kapsel führte. Ein Forscher des Imperial College London erklärte, die Mehrheit der Fachwelt sei sich einig, dass die Zündung nachgewiesen worden sei. Forscher am NIF haben seitdem versucht, das Ergebnis vom August zu wiederholen, bisher ohne Erfolg. ⓘ

Im November 2021 meldete Helion Energy, dass es für sein Polaris-Gerät der siebten Generation, mit dem die Nettoelektrizitätserzeugung nachgewiesen werden soll, eine Finanzierung der Serie E in Höhe von 0,5 Mrd. USD erhalten hat, wobei weitere Zusagen in Höhe von 1,7 Mrd. USD an bestimmte Meilensteine geknüpft sind, während Commonwealth Fusion Systems eine zusätzliche Finanzierung der Serie B in Höhe von 1,8 Mrd. USD für den Bau und den Betrieb seines SPARC-Reaktors erhalten hat - die größte Einzelinvestition in ein privates Fusionsunternehmen. ⓘ

Im April 2022 gab First Light bekannt, dass ihr Prototyp eines Hyperschallprojektils fusionskompatible Neutronen erzeugt hat. Ihre Technik feuert elektromagnetische Projektile mit Mach 19 auf ein eingesperrtes Brennstoffpellet. Der Deuteriumbrennstoff wird bei Mach 204 komprimiert und erreicht einen Druck von 100 Terapascal. ⓘ

Rekorde

Die Rekorde im Bereich der Kernfusion steigen weiter an:

Rekorde
Bereich	Jahr	Datensatz	Gerät	Anmerkungen ⓘ
Plasma-Temperatur	2012	1,8 Milliarden Kelvin	Fokus-Fusion 1
Leistung der Fusion	1997	16 MW	JET
Tokamak-Fusionsenergie	2022	59 MJ	JET	Mehr Gesamtenergie als beim Rekord von 1997, aber weniger Leistung, da der Schwerpunkt auf anhaltender Länge lag
ICF-Fusionsenergie	2021	1,3 MJ	Nationale Zündanlage
Plasma-Druck	2016	2,05 Atmosphären	Alcator C-Mod
Lawson-Kriterium	2013	1,53×10²¹ keV.s.m-3	JT-60 .
Fusionsenergiegewinnfaktor Q	1997	0.69	Gemeinsamer Europäischer Torus (JET)	16 MW Leistung im Vergleich zu den 23 MW der Plasmaheizung.
Einschlusszeit (Konfiguration mit umgekehrtem Feld)	2016	300 ms	Princeton-Konfiguration mit umgekehrtem Feld	Es wurde keine Fusion beobachtet.
Einschlusszeit (Stellarator)	2019	100 s	Wendelstein 7-X
Einschlusszeit (Tokamak)	2022	17 Minuten	EAST
Einschlusszeit x Temperatur (Tokamak)	2021	12×10⁹	EAST
Beta	1998	0.4	Kleiner Tokamak mit engem Streckungsverhältnis
Temperatur (kompakter sphärischer Tokamak)	2022	100M	Tokamak Energie
Temperatur x Zeit (Tokamak)	2021	100M x 30 Sekunden	KSTAR

Wirtschaftlichkeit

Auch wenn Fusionskraftwerke technisch machbar sein sollten, heißt dies nicht, dass sie auch wirtschaftlich betrieben werden können. Im Sachstandsbericht des deutschen Bundestages von 2002 heißt es: „Insgesamt ist daher umstritten, ob auf DEMO bereits Fusionskraftwerke folgen, die wirtschaftlich konkurrenzfähig betrieben werden können. Möglicherweise werden Anfangsschwierigkeiten eine weitere staatliche Unterstützung erforderlich machen (Heindler 2001).“ ⓘ

Hans Joachim Schellnhuber, zu dieser Zeit Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU), und Direktor des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung, hat 2015 die hohen Kosten der Kernfusionsforschung angesichts der Potentiale der Solarenergie kritisiert:

“While we have been working decade after decade on developing an incredibly expensive fusion reactor, we are already blessed with one that works perfectly well and is free to all of us: the Sun”

„Während wir Jahrzehnt nach Jahrzehnt an der Entwicklung eines unglaublich teuren Fusionsreaktors gearbeitet haben, sind wir bereits mit einem gesegnet, der einwandfrei funktioniert und für uns alle kostenlos ist: Die Sonne“

– Hans-Joachim Schellnhuber: common-ground ⓘ

Auswirkungen auf die Struktur der Energieversorgung

Das Demonstrationskraftwerk DEMO soll erstmals einige 100 MW an elektrischer Leistung produzieren und eine hohe Verfügbarkeit demonstrieren. ⓘ

Weil bei Fusionskraftwerken die Bau- und Finanzierungskosten den wesentlichen Anteil an den Gesamtaufwendungen darstellen, wären sie insbesondere als Grundlastkraftwerke einsetzbar. 2002 wurde dazu mit Bezug auf eine Quelle aus 2001 in einem Bericht an den Bundestag festgestellt: „Für Grundlastkraftwerke ist die Zuverlässigkeit ein entscheidender Parameter. Häufige unvorhergesehene Unterbrechungen oder lange Stillstandszeiten für Wartung und Reparatur würden Fusionskraftwerke unattraktiv machen. Die heute angenommene Leistungsverfügbarkeit eines Fusionskraftwerkes von 75 % (Bradshaw 2001) ist gegenüber anderen Großkraftwerken, die zum Teil über 95 % erreichen, vergleichsweise niedrig.“ ⓘ