Heute beteiligen sich viele Länder an der thermonuklearen Forschung. Führend sind die Europäische Union, die USA, Russland und Japan, während die Programme von China, Brasilien, Kanada und Korea stark wachsen. Ursprünglich wurden Fusionsreaktoren in den Vereinigten Staaten und der UdSSR mit der Entwicklung von Atomwaffen in Verbindung gebracht und blieben bis zur Atoms for Peace-Konferenz 1958 in Genf geheim. Nach der Erschaffung des sowjetischen Tokamaks wurde die Kernfusionsforschung in den 1970er Jahren zu einer „großen Wissenschaft“. Aber die Kosten und die Komplexität der Geräte stiegen bis zu dem Punkt, an dem internationale Zusammenarbeit der einzige Weg nach vorne war.
Fusionsreaktoren der Welt
Seit den 1970er Jahren wurde die kommerzielle Nutzung der Fusionsenergie konsequent um 40 Jahre nach hinten verschoben. In den letzten Jahren ist jedoch viel passiert, was diesen Zeitraum verkürzen könnte.
Mehrere Tokamaks wurden gebaut, darunter der europäische JET, der britische MAST und der experimentelle Fusionsreaktor TFTR in Princeton, USA. Das internationale ITER-Projekt wird derzeit im französischen Cadarache gebaut. Es wird das Größtetokamak, wenn es 2020 in Betrieb geht. Im Jahr 2030 wird CFETR in China gebaut, das ITER übertreffen wird. Unterdessen forscht die PRC am experimentellen supraleitenden Tokamak EAST.
Fusionsreaktoren eines anderen Typs – Stellatoren – sind ebenfalls bei Forschern beliebt. Eines der größten, LHD, nahm 1998 seine Arbeit am japanischen National Fusion Institute auf. Es wird verwendet, um die beste magnetische Plasmaeinschlusskonfiguration zu finden. Das deutsche Max-Planck-Institut forschte zwischen 1988 und 2002 am Reaktor Wendelstein 7-AS in Garching und aktuell am Reaktor Wendelstein 7-X, der seit mehr als 19 Jahren gebaut wird. Ein weiterer TJII-Stellarator ist in Madrid, Spanien, in Betrieb. In den USA stoppte das Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), wo 1951 der erste Fusionsreaktor dieses Typs gebaut wurde, den Bau des NCSX im Jahr 2008 aufgrund von Kostenüberschreitungen und fehlender Finanzierung.
Darüber hinaus wurden bedeutende Fortschritte in der Erforschung der thermonuklearen Trägheitsfusion erzielt. Der Bau der National Ignition Facility (NIF) im Wert von 7 Milliarden US-Dollar am Livermore National Laboratory (LLNL), finanziert von der National Nuclear Security Administration, wurde im März 2009 abgeschlossen. Der französische Laser Mégajoule (LMJ) nahm im Oktober 2014 seinen Betrieb auf. Fusionsreaktoren verwenden etwa 2 Millionen Joule Lichtenergie, die von Lasern in wenigen Milliardstel Sekunden an ein wenige Millimeter großes Ziel abgegeben werden, um eine Kernfusionsreaktion zu starten. Die Hauptaufgabe von NIF und LMJsind Studien zur Unterstützung nationaler militärischer Nuklearprogramme.
ITER
1985 schlug die Sowjetunion vor, gemeinsam mit Europa, Japan und den USA den Tokamak der nächsten Generation zu bauen. Die Arbeiten wurden unter der Schirmherrschaft der IAEO durchgeführt. Zwischen 1988 und 1990 wurden die ersten Entwürfe für den Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktor ITER, was auf Lateinisch auch „Weg“oder „Reise“bedeutet, geschaffen, um zu beweisen, dass die Fusion mehr Energie erzeugen als aufnehmen kann. Kanada und Kasachstan nahmen ebenfalls über die Vermittlung von Euratom bzw. Russland teil.
Nach 6 Jahren genehmigte der ITER-Vorstand das erste integrierte Reaktorprojekt auf der Grundlage etablierter Physik und Technologie im Wert von 6 Milliarden US-Dollar. Dann zogen sich die USA aus dem Konsortium zurück, was sie zwang, die Kosten zu halbieren und das Projekt zu ändern. Das Ergebnis war ITER-FEAT, das 3 Milliarden US-Dollar kostete, aber eine sich selbst tragende Reaktion und eine positive Energiebilanz ermöglichte.
Im Jahr 2003 traten die USA dem Konsortium wieder bei, und China kündigte seinen Wunsch an, daran teilzunehmen. Daraufhin einigten sich die Partner Mitte 2005 auf den Bau von ITER im südfranzösischen Cadarache. Die EU und Frankreich steuerten die Hälfte der 12,8 Milliarden Euro bei, während Japan, China, Südkorea, die USA und Russland jeweils 10 % beisteuerten. Japan lieferte Hightech-Komponenten, beherbergte die 1 Milliarde Euro teure IFMIF-Anlage für Materi altests und hatte das Recht, den nächsten Testreaktor zu bauen. Die Gesamtkosten von ITER beinh alten die Hälfte der Kosten für eine 10-jährige LaufzeitBau und die Hälfte - für 20 Jahre Betrieb. Indien wurde Ende 2005 das siebte Mitglied von ITER
Experimente sollten 2018 mit Wasserstoff beginnen, um eine Magnetaktivierung zu vermeiden. Verwendung von D-T-Plasma nicht vor 2026 zu erwarten
ITERs Ziel ist es, 500 MW (mindestens für 400 s) mit weniger als 50 MW Eingangsleistung zu erzeugen, ohne Strom zu erzeugen.
Das 2-Gigawatt-Demokraftwerk Demo wird im großen Maßstab Strom erzeugen. Das Konzeptdesign für die Demo wird bis 2017 abgeschlossen sein, der Bau soll 2024 beginnen. Der Start erfolgt im Jahr 2033.
JET
1978 startete die EU (Euratom, Schweden und die Schweiz) ein gemeinsames europäisches JET-Projekt im Vereinigten Königreich. JET ist heute der größte in Betrieb befindliche Tokamak der Welt. Ein ähnlicher JT-60-Reaktor wird am japanischen National Fusion Fusion Institute betrieben, aber nur JET kann Deuterium-Tritium-Brennstoff verwenden.
Der Reaktor wurde 1983 gestartet und war das erste Experiment, das im November 1991 zu einer kontrollierten thermonuklearen Fusion mit einer Leistung von bis zu 16 MW für eine Sekunde und 5 MW stabiler Leistung auf Deuterium-Tritium-Plasma führte. Viele Experimente wurden durchgeführt, um verschiedene Heizschemata und andere Techniken zu untersuchen.
Weitere Verbesserungen am JET sollen seine Leistung steigern. Der Kompaktreaktor MAST wird zusammen mit JET entwickelt und ist Teil des ITER-Projekts.
K-STAR
K-STAR ist ein koreanischer supraleitender Tokamak des National Fusion Research Institute (NFRI) in Daejeon, das Mitte 2008 sein erstes Plasma produzierte. Dies ist ein Pilotprojekt von ITER, das das Ergebnis internationaler Zusammenarbeit ist. Der Tokamak mit einem Radius von 1,8 m ist der erste Reaktor, der supraleitende Nb3Sn-Magnete verwendet, die gleichen, die für den Einsatz in ITER geplant sind. In der ersten Phase, die bis 2012 abgeschlossen war, musste K-STAR die Machbarkeit der Basistechnologien beweisen und Plasmapulse mit einer Dauer von bis zu 20 s erreichen. In der zweiten Phase (2013–2017) wird es aufgerüstet, um lange Pulse bis zu 300 s im H-Modus zu untersuchen und in den Hochleistungs-AT-Modus überzugehen. Das Ziel der dritten Phase (2018-2023) ist es, eine hohe Leistung und Effizienz im kontinuierlichen Pulsmodus zu erreichen. In der 4. Stufe (2023-2025) werden DEMO-Technologien getestet. Das Gerät ist nicht tritiumfähig und verwendet keinen D-T-Kraftstoff.
K-DEMO
K-DEMO wurde in Zusammenarbeit mit dem Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums und dem südkoreanischen NFRI entwickelt und soll der nächste Schritt in der kommerziellen Reaktorentwicklung nach ITER und das erste Kraftwerk sein in der Lage, Strom im Stromnetz zu erzeugen, nämlich 1 Million kW innerhalb weniger Wochen. Sein Durchmesser wird 6,65 m betragen, und er wird über ein Reproduktionszonenmodul verfügen, das im Rahmen des DEMO-Projekts erstellt wird. Koreanisches Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Technologieplant, etwa 1 Billion Won (941 Millionen US-Dollar) darin zu investieren.
OST
Der Chinese Experimental Advanced Supraconductor Tokamak (EAST) am Chinese Institute of Physics in Hefei erzeugte ein Wasserstoffplasma bei 50 Millionen °C und hielt es 102 Sekunden lang.
TFTR
Im amerikanischen Labor PPPL war von 1982 bis 1997 der experimentelle thermonukleare Reaktor TFTR in Betrieb. Im Dezember 1993 führte TFTR als erster magnetischer Tokamak umfangreiche Experimente mit Deuterium-Tritium-Plasma durch. Im folgenden Jahr produzierte der Reaktor die damalige Rekordleistung von 10,7 MW an steuerbarer Leistung, und 1995 wurde ein Temperaturrekord für ionisiertes Gas von 510 Millionen °C erreicht. Die Anlage erreichte jedoch nicht das Ziel einer kostendeckenden Fusionsenergie, erfüllte jedoch erfolgreich die Hardwaredesignziele und leistete einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung von ITER.
LHD
LHD am japanischen National Fusion Fusion Institute in Toki, Präfektur Gifu, war der größte Stellarator der Welt. Der Fusionsreaktor wurde 1998 gestartet und hat Plasmaeinschlussqualitäten gezeigt, die mit anderen großen Anlagen vergleichbar sind. Dabei wurde eine Ionentemperatur von 13,5 keV (ca. 160 Mio. °C) und eine Energie von 1,44 MJ erreicht.
Wendelstein 7-X
Nach einem Testjahr, das Ende 2015 begann, erreichte die Heliumtemperatur kurzzeitig 1 Million °C. 2016 ein Fusionsreaktor mit WasserstoffPlasma mit einer Leistung von 2 MW erreichte innerhalb einer Viertelsekunde eine Temperatur von 80 Millionen ° C. W7-X ist der größte Stellarator der Welt und soll 30 Minuten lang ununterbrochen in Betrieb sein. Die Kosten des Reaktors beliefen sich auf 1 Milliarde €.
NIF
Die National Ignition Facility (NIF) am Livermore National Laboratory (LLNL) wurde im März 2009 fertiggestellt. Mit seinen 192 Laserstrahlen ist NIF in der Lage, 60-mal mehr Energie zu konzentrieren als jedes vorherige Lasersystem.
K alte Fusion
Im März 1989 gaben zwei Forscher, der Amerikaner Stanley Pons und der Brite Martin Fleischman, bekannt, dass sie einen einfachen Desktop-K altfusionsreaktor gestartet hatten, der bei Raumtemperatur betrieben wurde. Das Verfahren bestand in der Elektrolyse von schwerem Wasser unter Verwendung von Palladiumelektroden, auf denen Deuteriumkerne in hoher Dichte angereichert waren. Die Forscher behaupten, dass Wärme erzeugt wurde, die nur durch nukleare Prozesse erklärt werden konnte, und dass Fusionsnebenprodukte wie Helium, Tritium und Neutronen entstanden. Andere Experimentatoren konnten diese Erfahrung jedoch nicht wiederholen. Der größte Teil der wissenschaftlichen Gemeinschaft glaubt nicht, dass k alte Fusionsreaktoren real sind.
Kernreaktionen mit niedriger Energie
Initiiert durch Behauptungen über "k alte Fusion" wurde die Forschung auf dem Gebiet der Kernreaktionen mit niedriger Energie fortgesetzt, mit einiger empirischer Unterstützung, aberkeine allgemein akzeptierte wissenschaftliche Erklärung. Anscheinend werden schwache nukleare Wechselwirkungen verwendet, um Neutronen zu erzeugen und einzufangen (und nicht eine starke Kraft, wie bei der Kernsp altung oder -fusion). Zu den Experimenten gehören die Permeation von Wasserstoff oder Deuterium durch ein katalytisches Bett und die Reaktion mit einem Metall. Die Forscher berichten von einer beobachteten Energiefreisetzung. Das wichtigste praktische Beispiel ist die Wechselwirkung von Wasserstoff mit Nickelpulver unter Freisetzung von Wärme, deren Menge größer ist als jede chemische Reaktion abgeben kann.
