Fusionsenergie hat das Potenzial, eine effiziente, saubere Energiequelle zu sein, da ihre Reaktionen unglaublich große Energiemengen erzeugen. Fusionsreaktoren zielen darauf ab, auf der Erde das zu reproduzieren, was im Herzen der Sonne geschieht, wo sehr leichte Elemente verschmelzen und so Energie freisetzen. Ingenieure können diese Energie nutzen, um Wasser zu erhitzen und mit einer Dampfturbine Strom zu erzeugen, aber der Weg zur Fusion ist nicht ganz einfach.
Die kontrollierte Kernfusion hat gegenüber anderen Energiequellen zur Stromerzeugung mehrere Vorteile. Zum einen entsteht bei der Fusionsreaktion selbst kein Kohlendioxid. Es besteht keine Gefahr einer Kernschmelze und bei der Reaktion entstehen keine langlebigen radioaktiven Abfälle.
Ich bin ein Nuklearingenieur, der Materialien untersucht, die Wissenschaftler in Fusionsreaktoren verwenden könnten. Die Fusion erfolgt bei unglaublich hohen Temperaturen. Um die Kernfusion eines Tages zu einer realisierbaren Energiequelle zu machen, müssen Reaktoren aus Materialien gebaut werden, die der durch Fusionsreaktionen erzeugten Hitze und Strahlung standhalten.
Herausforderungen bei Fusionsmaterialien
In einer Fusionsreaktion können mehrere Arten von Elementen miteinander verschmelzen. Die meisten Wissenschaftler bevorzugen Deuterium plus Tritium. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese beiden Elemente verschmelzen, ist bei den Temperaturen, die ein Reaktor aufrechterhalten kann, am größten. Bei dieser Reaktion entstehen ein Heliumatom und ein Neutron, die den größten Teil der Reaktionsenergie tragen.
Seit 1952 erzeugen Menschen erfolgreich Fusionsreaktionen auf der Erde – teilweise sogar in ihren Garagen. Aber der Trick besteht jetzt darin, dafür zu sorgen, dass es sich lohnt. Man muss dem Prozess mehr Energie entziehen, als man aufwendet, um die Reaktion in Gang zu setzen.
Fusionsreaktionen finden in sehr heißem Plasma statt, einem gasähnlichen Materiezustand, der jedoch aus geladenen Teilchen besteht. Das Plasma muss während der gesamten Reaktion extrem heiß – mehr als 100 Millionen Grad Celsius – und kondensiert bleiben.
Um das Plasma heiß und kondensiert zu halten und eine weiterlaufende Reaktion zu erzeugen, sind spezielle Materialien für die Reaktorwände erforderlich. Sie benötigen außerdem eine günstige und zuverlässige Kraftstoffquelle.
Während Deuterium sehr häufig vorkommt und aus Wasser gewonnen wird, ist Tritium sehr selten. Ein 1-Gigawatt-Fusionsreaktor müsste 56 Kilogramm Tritium pro Jahr verbrennen. Weltweit gibt es jedoch nur etwa 25 Kilogramm kommerziell erhältliches Tritium.
Forscher müssen alternative Tritiumquellen finden, bevor die Fusionsenergie durchstarten kann. Eine Möglichkeit besteht darin, dass jeder Reaktor sein eigenes Tritium über ein System namens „Brutdecke“ erzeugt.
Die Brutdecke bildet die erste Schicht der Wände der Plasmakammer und enthält Lithium, das mit den bei der Fusionsreaktion erzeugten Neutronen unter Bildung von Tritium reagiert. Die Decke wandelt auch die von diesen Neutronen getragene Energie in Wärme um.
Fusionsgeräte benötigen außerdem einen Umleiter, der die bei der Reaktion entstehende Wärme und Asche abführt. Der Umsteller trägt dazu bei, die Reaktionen länger aufrechtzuerhalten.
Diese Materialien werden einem beispiellosen Ausmaß an Hitze und Partikelbeschuss ausgesetzt sein. Und derzeit gibt es keine Versuchsanlage, um diese Bedingungen zu reproduzieren und die Materialien in einem realen Szenario zu testen. Ziel meiner Forschung ist es daher, diese Lücke mithilfe von Computermodellen und Simulationen zu schließen.
Vom Atom bis zum kompletten Gerät
Meine Kollegen und ich arbeiten an der Entwicklung von Werkzeugen, die vorhersagen können, wie Materialien in einem Fusionsreaktor erodieren und wie sich ihre Eigenschaften ändern, wenn sie extremer Hitze und viel Teilchenstrahlung ausgesetzt werden.
Bei Bestrahlung können sich in diesen Materialien Defekte bilden und wachsen, die ihre Reaktion auf Hitze und Spannung beeinträchtigen. Wir hoffen, dass Regierungsbehörden und private Unternehmen diese Werkzeuge in Zukunft für die Planung von Fusionskraftwerken nutzen können.
Unser Ansatz, Multiskalenmodellierung genannt, beinhaltet die Untersuchung der Physik dieser Materialien auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen mit einer Reihe von Rechenmodellen.
Wir untersuchen zunächst die in diesen Materialien auftretenden Phänomene auf atomarer Ebene mithilfe präziser, aber aufwendiger Simulationen. Beispielsweise könnte eine Simulation untersuchen, wie sich Wasserstoff während der Bestrahlung durch ein Material bewegt.
Anhand dieser Simulationen betrachten wir Eigenschaften wie die Diffusionsfähigkeit, die uns sagen, wie weit sich Wasserstoff durch das Material ausbreiten kann.
Wir können die Informationen aus diesen Simulationen auf atomarer Ebene in kostengünstigere Simulationen integrieren, die untersuchen, wie Materialien in größerem Maßstab reagieren. Diese groß angelegten Simulationen sind kostengünstiger, da sie Materialien als Kontinuum modellieren, anstatt jedes Atom zu berücksichtigen.
Die Ausführung von Simulationen im atomaren Maßstab auf einem Supercomputer könnte Wochen dauern, während Simulationen im Kontinuumsbereich nur wenige Stunden dauern würden.
Alle am Computer durchgeführten Modellierungsarbeiten werden dann mit den experimentellen Ergebnissen im Labor verglichen.
Wenn beispielsweise eine Seite des Materials Wasserstoffgas enthält, möchten wir wissen, wie viel Wasserstoff auf die andere Seite des Materials entweicht. Wenn das Modell und die experimentellen Ergebnisse übereinstimmen, können wir Vertrauen in das Modell haben und es verwenden, um das Verhalten desselben Materials unter den erwarteten Bedingungen in einer Fusionsanlage vorherzusagen.
Wenn sie nicht übereinstimmen, kehren wir zu Simulationen im atomaren Maßstab zurück, um zu untersuchen, was wir übersehen haben.
Darüber hinaus können wir das größere Hardwaremodell mit den Plasmamodellen koppeln. Diese Modelle können uns sagen, welche Teile eines Fusionsreaktors am heißesten sind oder am stärksten mit Partikeln bombardiert werden. Von dort aus können wir weitere Szenarien bewerten.
Wenn beispielsweise während des Betriebs des Fusionsreaktors zu viel Wasserstoff durch das Material entweicht, empfehlen wir möglicherweise, das Material an bestimmten Stellen dicker zu machen oder etwas hinzuzufügen, um den Wasserstoff einzufangen.
Entwerfen Sie neue Materialien
Da die Suche nach kommerzieller Fusionsenergie weitergeht, müssen Wissenschaftler widerstandsfähigere Materialien entwickeln. Die Vielfalt der Möglichkeiten ist einschüchternd: Ingenieure können mehrere Elemente auf unterschiedliche Weise zusammenfügen.
Sie können zwei Elemente kombinieren, um ein neues Material zu erstellen, aber woher wissen Sie, welches die richtigen Proportionen jedes Elements sind? Was wäre, wenn Sie versuchen würden, fünf oder mehr Elemente miteinander zu mischen? Es würde viel zu lange dauern, unsere Simulationen für alle diese Möglichkeiten durchzuführen.
Glücklicherweise ist künstliche Intelligenz hier, um zu helfen. Durch die Kombination von experimentellen und Simulationsergebnissen kann die analytische KI Kombinationen empfehlen, die am wahrscheinlichsten die von uns gesuchten Eigenschaften aufweisen, wie z. B. Hitze- und Stressbeständigkeit.
Ziel ist es, die Anzahl der Materialien zu reduzieren, die ein Ingenieur herstellen und experimentell testen müsste, um Zeit und Geld zu sparen.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen vertrauenswürdige Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen. Es wurde geschrieben von: Sophie Blondel, Universität von Tennessee
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