Im Gegensatz zu Tokamak- und Stellarator-Reaktoren erzeugt Helions Trenta-Fusionsgenerator Strom direkt aus dem Fusionsprozess. (Bild: Helion)
Die Kernfusion wird als vielversprechendste Technologie erachtet, um den künftigen globalen Energiebedarf auf nachhaltige und saubere Weise zu decken. Im Gegensatz zur Kernspaltung, bei der Atome gespalten werden, basiert die Kernfusion auf der Verschmelzung von Atomkernen, wobei sich dieser Prozess mit dem in der Sonne vergleichen lässt. Der Vorteil der Kernfusion besteht in der Vermeidung der Produktion gefährlicher Langzeitabfälle sowie der theoretischen Möglichkeit der Bereitstellung einer unerschöpflichen Menge an Energie.
Der weltweite Wettlauf um die kommerzielle Nutzung der Kernfusion hat an Dynamik gewonnen. Die Forschung zu verschiedenen Reaktorkonzepten ist ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung dieser Technologie, wobei vor allem China eine führende Rolle in der globalen Fusionsforschung einnimmt und durch umfangreiche Investitionen den Fortschritt dieser Technologie beschleunigt.
Wie funktioniert der Trenta-Fusionsgenerator? – Unterschiede zu Tokamak und Stellarator
Neben den herkömmlichen Ansätzen wie dem Tokamak (z.B. Iter) oder Stellarator (Wendelstein) arbeitet Helion Energy am Trenta-Fusionsgenerator. Dieser nutzt einen einzigartigen Ansatz, der auf Jahrzehnte der Forschung zur Ionenantriebs-Technologie im Weltraum zurückgeht und sich deutlich von den anderen Methoden unterscheidet: Während Tokamak- und Stellarator-Reaktoren auf kontinuierliche Magnetfeldkonfigurationen setzen, um Plasma zu halten, verwendet der Trenta-Fusionsgenerator eine pulsierende Methode (Field Reversed Configuration (FRC)), bei der zwei Plasma-Ringe aufeinander geschossen und komprimiert werden.
Helions Ansatz zur Fusion: Wie es funktioniert
So funktioniert Helions Ansatz zur Kernfusion
Helions gepulstes Fusionsgerät erzeugt kohlenstofffreie Elektrizität, indem es Energie direkt aus der Fusion zurückgewinnt. Es nutzt Deuterium und Helium-3 als Brennstoff, die in einer Formationskammer zu Plasma überhitzt werden. Magnete um das Gerät herum formen das Plasma in eine toroidale Struktur (Field Reversed Configuration, FRC).
Elektrischer Strom im FRC erzeugt ein Magnetfeld, das das Plasma einschließt. FRCs werden an beiden Enden des Geräts gebildet und mit über einer Million Meilen pro Stunde aufeinander zu beschleunigt, wo sie im Zentrum kollidieren und zu einem heißen, dichten Plasma verschmelzen.
Das Magnetfeld wird auf über 10 Tesla verstärkt und komprimiert das Plasma, bis es Temperaturen von über 9 Kiloelektronenvolt (entspricht etwa 100 Millionen °C) erreicht. Bei dieser Temperatur überwinden Atome ihre elektrostatische Abstoßung und Fusion findet statt.
Die Fusionsreaktionen verstärken das Magnetfeld des Plasmas, was das Magnetfeld der Maschine beeinflusst und gemäß dem Faraday’schen Gesetz Strom in den Spulen induziert. Dieser Strom wird direkt als Elektrizität zurückgewonnen. Der gesamte Prozess dauert eine Millisekunde und wiederholt sich in einem gepulsten Modus, wobei die Energieausgabe durch die Wiederholfrequenz reguliert werden kann.
So wird in Tokamak-Reaktoren das Plasma in einem torusförmigen (donutförmigen) Magnetfeld eingeschlossen, das kontinuierlich aufrechterhalten wird, um die Bedingungen für die Fusion zu schaffen. Diese Methode hat den Nachteil, dass extrem hohe magnetische Felder benötigt werden, um das Plasma stabil zu halten, da es aufgrund von Instabilitäten entweichen könnte. Stellarator-Reaktoren verwenden extrem komplexe, dreidimensionale Magnetfeldstrukturen, um das Plasma stabil zu halten. Bei beiden Ansätzen wird das Plasma durch ein komplexes Netz von Magnetspulen stabilisiert, was oft zu hohen Energieverlusten führt. Zudem neigen Tokamaks dazu, einen Großteil ihrer Energie durch Neutronen zu verlieren, die nach der Fusion freigesetzt werden.
Im Gegensatz dazu nutzt der Trenta-Generator ein pulsierendes System. Zwei symmetrisch angeordnete Plasma-Ringe werden auf beiden Seiten des Reaktors gebildet und mit enormen Geschwindigkeiten von bis zu 300 km/s aufeinander geschossen. Diese Kollision sorgt für die benötigte Erhitzung und Kompression, um die Fusion auszulösen. Dieser Ansatz ermöglicht es, die magnetischen Felder nur dann zu aktivieren, wenn sie benötigt werden, was die Effizienz steigert und Instabilitäten reduziert. Zudem verwendet Trenta ein pulsierendes Magnetfeld, das einfacher zu kontrollieren und effizienter zu nutzen ist. Dadurch lassen sich Probleme der Instabilität, wie sie bei Tokamak- und Stellarator-Systemen auftreten, weitgehend vermeiden.
Wo es noch Herausforderungen bei Helions Fusionsansatz gibt
In seinem Video "The problems with Helion Energy - a response to Real Engineering" geht der Youtuber Improbable Matter auf das Video zu Helions Ansatz ein. Darin äußert er gleich zu mehreren Stellen Kritik. Beispielsweise kritisiert er Helion Energy für die Darstellung ihres Ansatzes als bahnbrechend, obwohl die Field Reversed Configuration (FRC) bereits seit den 1960er Jahren bekannt ist und erforscht wird. Er stellt die Effizienz der Deuterium-Helium3-Reaktion infrage, da sie im Vergleich zu Deuterium-Tritium deutlich weniger reaktiv ist, was zu Energieverlusten führt. Darüber hinaus bemängelt er die fehlende Neutronenabschirmung und die dadurch entstehenden Sicherheitsrisiken sowie die unzureichende Transparenz in Bezug auf wissenschaftliche Veröffentlichungen und die Problematik von Energieverlusten durch Bremsstrahlung.
The problems with Helion Energy - a response to Real Engineering
Direkte Energiegewinnung durch Kernfusion ohne Neutronenverluste
Ein weiterer Unterschied liegt in der Art der Energiegewinnung. Tokamak-Reaktoren erzeugen den Großteil ihrer Energie durch Neutronen, die bei der Fusion freigesetzt werden und in den Reaktorwänden eingefangen werden, um Wärme zu erzeugen. Diese Wärme wird dann zur Dampferzeugung genutzt, um eine Turbine anzutreiben – ein mehrstufiger Prozess, der Verluste verursacht.
Helion verzichtet auf diese indirekte Methode und erzeugt Strom direkt durch die Veränderung des Magnetfelds, das die Fusionsreaktion hält. Die Energie der geladenen Teilchen, die bei der Fusion entstehen, wird direkt genutzt, um das Magnetfeld zu beeinflussen und einen Stromfluss zu erzeugen. Dies macht den Prozess deutlich effizienter und vermeidet die mit Neutronen verbundenen Energieverluste und Materialschäden, die in Tokamak-Reaktoren auftreten.
Ein Blick auf den Trenta-Fusionsgenerator von Helion
Warum sind Deuterium und Helium-3 die Schlüssel zum Erfolg?
Helion setzt auf eine Mischung aus Deuterium und Helium-3 als Brennstoff. Deuterium ist in der Natur reichlich vorhanden und sicher, während Helium-3 eine besonders wertvolle Komponente ist, da es eine effizientere und sauberere Fusion ermöglicht. Der besondere Clou von Helions Ansatz ist jedoch die Fähigkeit, Helium-3 im eigenen Reaktor zu erzeugen, was die Abhängigkeit von externen Ressourcen minimiert und gleichzeitig das Potenzial für eine höhere Energieausbeute bietet.
Helions Herausforderungen beim Fusionsreaktor
Obwohl Helion mit dem Trenta-Reaktor bemerkenswerte Fortschritte erzielt hat, gibt es noch einige Herausforderungen auf dem Weg zur Kommerzialisierung. Eine der größten Hürden ist die Skalierbarkeit des Systems, insbesondere wenn es darum geht, die Energieerzeugung auf ein Niveau zu bringen, das eine kommerzielle Nutzung ermöglicht. Helion arbeitet bereits am Nachfolgemodell Polaris, das die Energieproduktion weiter steigern soll.
Ein weiteres Hindernis liegt in der Lebensdauer der Komponenten. Die extremen Bedingungen, die während der Fusion entstehen, stellen eine große Belastung für die Materialien und die Technik dar. Helions Ingenieure arbeiten an Lösungen, um diese Herausforderungen zu meistern und die Technologie auf den Weg zur Marktreife zu bringen.
Der Autor: Dr. Martin Large
Aus dem Schoß einer Lehrerfamilie entsprungen (Vater, Großvater, Bruder und Onkel), war es Martin Large schon immer ein Anliegen, Wissen an andere aufzubereiten und zu vermitteln. Ob in der Schule oder im (Biologie)-Studium, er versuchte immer, seine Mitmenschen mitzunehmen und ihr Leben angenehmer zu gestalten. Diese Leidenschaft kann er nun als Redakteur ausleben. Zudem kümmert er sich um die Themen SEO und alles was dazu gehört bei all-electronics.de.