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Machine 3: Erster einsatzfähiger Fusionsreaktor bis 2024

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der erste einsatzfähige Fusionsreaktor eines komplett neuen Typs soll bis 2024 erfolgreich Energie gewinnen. Anders als Stellerator- oder Tokamak-Reaktoren soll die von britischen Forschern konzipierte „Machine 3“ weniger kompliziert und deutlich günstiger zu betreiben sein.

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Für das Experiment wurde zum elektromagnetischen Abschießen der Projektile „Maschine 3“ konstruiert: Die Vakuumkammer ist umgeben von 192 Kondensatoren.
Für das Experiment wurde zum elektromagnetischen Abschießen der Projektile „Maschine 3“ konstruiert: Die Vakuumkammer ist umgeben von 192 Kondensatoren.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Der Fusionsreaktor wird als die ultimative Energieerzeugung der Zukunft angesehen. Wie im Inneren unserer Sonne wird durch das Verschmelzen von Deuterium- und Tritiumatomen Energie freigesetzt, ohne gefährliche Abfallprodukte und unter Verwendung von Meerwasser als quasi unbegrenztem Brennstoff. Deshalb verwundert es nicht, dass Milliarden von Euro in die Fusionsforschung investiert werden. Das hat seinen Grund: Denn die extremen Temperatur- und Druckbedingungen, die auf der Sonne herrschen, müssen auf der Erde simuliert werden. Das ist jedoch extrem schwierig.

Das britische Unternehmen First Light Fusion (FLF) hat nun eine neue Testanlage in Betrieb genommen: Für das Experiment wurde zum elektromagnetischen Abschießen der Projektile „Machine 3“ konstruiert: Sie besteht aus sechs Kondensatorbänken, die radial um eine zentrale Vakuumkammer angeordnet sind, in der das Experiment stattfindet. Die Kondensatoren werden innerhalb einer Minute auf 200.000 V aufgeladen, die gespeicherte Energie wird dann in weniger als zwei Mikrosekunden entladen: Mit einem Strom von 14 Mio. Ampere wird ein intensives Magnetfeld erzeugt, welches das Projektil auf 20 km pro Sekunde beschleunigt und 200 KJ kinetische Energie liefert.

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Seit Kurzem ist die Maschine mit allen sechs Bänken erfolgreich in Betrieb. Jede Entladung entspricht 500 Gewitterblitzen, es werden insgesamt 2,5 MJ verwendet. Die bisher erzielten Fortschritte bestätigen den Zeitplan des Unternehmens, bis 2024 eine Fusion mit Energiegewinn zu erzielen – das wäre der Beginn des Fusionszeitalters.

Elektromagnetisch beschleunigtes Projektil

Paul Holligan, Leiter der Abschusseinrichtung bei FLF, erklärt: „Wir haben einen anderen Ansatz als die übrigen Organisationen, die einen Fusionsreaktor entwickeln wollen. Wir verwenden keine Laser oder Magnetfelder, denn das ist sehr kompliziert und kostspielig. Durch die Wahl eines elektromagnetisch beschleunigten Projektils haben wir Kosten und Komplexität deutlich reduziert. In der Praxis besteht die Herausforderung darin, Form und Design des getroffenen Ziels zu perfektionieren. Hier arbeiten wir an neuartigen IP-Lösungen und entwickeln unsere Simulationsmodelle weiter, dies ist die wissenschaftliche Herausforderung.“

Beim Konzept von FLF mussten die Entwickler alle sechs Kondensatorbänke synchron aktivieren, deren Genauigkeit im Nanosekundenbereich liegen muss. Die elektrische Energie wird in 192 Kondensatoren gespeichert, die paarweise angeordnet sind. Jedes der 96 Paare wird durch einen eigenen Schalter gesteuert, der in der Lage sein muss, die Spannung zu halten und die großen Ströme zu übertragen. An dieser Stelle kommen die eher unscheinbaren Digitizer-Karten von Spectrum Instrumentation ins Spiel: Nach dem Abfeuern erfassen Digitizerkarten des Typs M2i.4912-exp hunderte Messwerte jedes Kondensators und die Strom- und Spannungswerte von zahllosen Sensoren in den Kondensatorbänken mit einer Abtastrate von 10 MS/s in einem Zeitintervall von 100 ns.

Mit den sogenannten Star-Hub-Modulen von Spectrum werden die 32 Digitizerkarten in zwei Bänken zu je 16 miteinander verbunden, um die Synchronizität aller 256 Eingangskanäle zu gewährleisten. Es lassen sich bei Bedarf weitere Kanäle hinzuzufügen. Alle Vorgänge geschehen innerhalb von Nanosekunden, daher ist die Genauigkeit des Abfeuerns und der Datenerfassung von größter Bedeutung. „Das System darf keinerlei Toleranzen oder Fehler haben, da wir bei jedem Abfeuern des Projektils wertvolle Erkenntnisse gewinnen und uns daher auf die Qualität der Daten verlassen müssen“, fügt Paul Holligan hinzu.

Von einer Garnele inspiriert

Einer der Gründer von FLF wurde von der Pistolengarnele inspiriert, die eine ihrer Scheren so schnell zuschnappen lässt, dass sich im Wasser Hohlräume bilden, die sich erwärmen und Plasma bilden, wenn sie implodieren. Die entstehende Schockwelle betäubt die Beute. Dies ist das einzige natürlich vorkommende Beispiel für das Phänomen der Trägheitsfusion. FLF nutzt dieses physikalische Phänomen, um auf komplexe Eindämmungsmechanismen wie durch Magnetfelder verzichten zu können.

Stattdessen konzentriert sich FLF auf die Implosion, um damit die Hitze und den Druck wie im Inneren der Sonne nachzuahmen. Trägheitsfusion bedeutet, dass das Plasma durch seine eigene Trägheit statt durch Magnetfelder oder Laser zusammengehalten wird. Gerade die großen Energiemengen, die die Magnetfelder und Laser erfordern, machen es so schwierig, den Fusionsgewinn zu erreichen. Das Konzept von FLF benötigt nur einen Bruchteil der Energie, somit ist die Schwelle deutlich leichter zu überschreiten, bei der mehr Energie gewonnen als eingesetzt wird.

Spannende Einsätze der Digitizer-Karten

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