Die Polywellfusion wird finanziert

In den USA wird ein vielversprechendes Kernfusions-Projekt finanziert. Die im Verlgeich zu den Milliardenteuren Grossprojekten wie ITER und HIPER vergleichsweise geringen 10 Millionen US$ sind wohl gut investiert.

Ich habe die Polywellfusion bereits in einem anderen Artikel zur Kernfusion kurz angeschnitten. Das Prinzip ist schnell erklärt: Magnete werden (in einem Vakuum) derart geschickt um eine zentrale Elektronenwolke gruppiert, dass sie diese auf einen kleinen Bereich im Zentrum „eindämmen“ – wenn Elektronen entkommen sollten, folgen sie automatisch den Magnetfeldlinien zurück ins Innere der Maschine. Diese Elektronenwolke hat nur einen Zweck: ein gewaltiges negatives (elektrisches) Potential aufbauen: positiv geladene Ionen, die in die Maschine eingeschossen werden, werden von der Elektronenwolke stark angezogen und beschleunigen entsprechend. Sie durchqueren die Elektronenwolke, kehren auf der anderen Seite wieder um (sie werden immer noch angezogen…) und fliegen so viele tausend Mal pro Sekunde durch die Wolke. Je mehr Ionen vorhanden sind, desto grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass einige von ihnen beim Durchqueren der Elektronenwolke kollidieren und fusionieren: Kernfusion findet statt. Das ist keine grosse Hexerei: in wesentlich einfacher gebauten, „verwandten“ Geräten wie dem sogenannten „Farnsworth-Hirsch“-Fusor konnten schon in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts Fusionsreaktionen erzeugt werden. Auch mit dem Polywell-Experimentalreaktor sind Kernfusionen möglich, rund eine halbe Milliarde Deuterium-Atome, so hat ein Experiment mit dem Experimentalreaktor „WB-6“ („Whiffelball 6“, eine Anspielung auf die Form des eingeschlossenen Magnetfeldes, das in einigen Visualisierungen wie eine Unihockeykugel aussieht) bereits im Sommer 2007 ergeben, verschmelzen darin pro Sekunde.

Das ist noch nicht genug, um damit Strom zu produzieren. Aber die Theorie, mit der sich ein Polywellfusionsreaktor beschreiben lässt, besagt, dass die produzierte Leistung praktisch mit der siebten Potenz des Durchmessers wächst – vergrössert man die Maschine von heute rund 30 cm auf 3 m, hat man einen funktionierenden Fusionsreaktor, der mehr Energie produziert, als er verbraucht.

Hinter dem Projekt steckt niemand geringeres als der amerikanische Physiker und Ingenieur Robert W. Bussard, der vielen Science-Fiction-Fans wegen seiner Erfindung des „Bussard-Antriebs“ (dabei wird vor einem Raumschiff ein riesiges Magnetfeld aufgespannt, mit dem es den interstellaren Wasserstoff einsammelt und zur Befeuerung seines Fusionsantriebs nutzt – also eine Art „Düse“ für den Interstellaren Raum) ein Begriff. Bussard ist letzten Sommer gestorben, doch das Polywellprojekt, an dem er fast bis zum letzten seiner Tage gearbeitet hat, wird nun von anderen Physikern und Ingenieuren seiner „Energy Matter Conversion Corporation“ (EMC2, eine Anspielung auf Einsteins berühmteste Formel…) weitergeführt. Zuletzt bekamen sie im Sommer 2008 einen kleinen finanziellen Beitrag von der US Navy, um das Experiment vom Sommer 2007 zu widerholen – dies ist offenbar geglückt, denn nun geht es in grossen Schritten vorwärts. Der bestehende Experimentalreaktor (WB-7) wurde weiter entwickelt, nun ist der nächste (WB-8) geplant – und vom übernächsten (WB-9) ist auch schon die Rede. Dies erweckt den Eindruck, dass die Finanzierer bei der Navy sehr beeindruckt sind von den (geheimgehaltenen) Resultaten der Tests mit WB-7.

Richard Nebel, der neue Chefentwickler bei EMC2, erwartet, dass er in spätestens anderthalb Jahren wissen wird, ob sich der Polywellreaktor tatsächlich für die Stromproduktion im grossen Stil eignet. Für diesen Fall ist es nun sogar denkbar, dass der Reaktor nicht nur Deuterium (oder Deuterium-Tritium wie ITER) fusionieren wird, sondern auch schwerere Elemente, zum Beispiel Wasserstoff-Bor-11. Dieser Brennstoff, auch unter „pB11“ bekannt, besteht aus einfachem Wasserstoff sowie einem Isotop des Elements Bor. Fusioniert man die beiden, entstehen drei Heliumatome, die völlig harmlos sind. Der erste grosse Vorteil dieses Brennstoffs ist aber, dass praktisch keine Neutronen entstehen. Neutronen führen dazu, dass auch ein Fusionsreaktor mit der Zeit radioaktiv verstrahlt wird – bei pB11 ist das kein Problem. Der zweite Vorteil ist, dass sich die freigesetzten Helium-Atome mit magnetischen Feldern bremsen lassen und diese dabei direkt Strom produzieren – sehr viel effizienter als beim Umweg über Dampfturbinen (wie in heutigen Atomkraftwerken oder bei ITER geplant). Ein solcher Reaktor könnte eine Effizienz von bis zu 85% haben, schätzt Nebel. Bor kommt im Meerwasser vor – jedes Land mit Meeranstoss hätte also künftig sein eigenes „Erdölfeld“ direkt vor der Haustür. Das alles klimaneutral und ohne radioaktive Abfälle.

Steht die Lösung des Energieproblems kurz bevor? In anderthalb Jahren werden wir mehr wissen.

News rund um die Polywellfusion

Die etwas kümmerliche Webseite von EMC2 Zuunterst auf dieser Webseite finden sich einige sehr interessante Links.

19 Kommentare

  1. Hier gibts relativ neue Informationen:

    nextbigfuture.com/2009/06/iec-fusion-wb7-wb8-and-wb9-information.html

    Es scheint, dass das Projekt nach Kalifornien umgezogen ist, und Richard Nebel nicht mitgezogen ist – er ist aber immer noch Teil des Projektes. Wie es scheint, hat sich der Polywell WB-8 bisher gut bewährt, nun wird die WB-8.1-Maschine mit einigen Upgrades gebaut. Im Allgemeinen scheint das Projekt bisher ein Erfolg zu sein:

    iecfusiontech.blogspot.com/2011/05/polywell-positive-results.html

  2. Hallo,

    weiß hier jemand wie der Stand der beiden vielversprechendsten pB-Reaktortypen – Polywell und Focus Fusion – gerade ist? Hört man da neues? Gibt es da hoffnungsvolle Fortschritte?

  3. Hat Richard Nebel seine zeitliche Prognose eigentlich in der Zwischenzeit revidiert?
    Wenn nicht dann erwartet uns ja in einigen Wochen
    der mögliche Beginn eines neuen Zeitalters.
    Bin gespannt wann man in Fernsehen und Massenzeitungen davon hört.

  4. Du hast recht, ich habe die Stellaratoren (wie man die Fusionsreaktoren vom Typ Wendelstein 7x auch nennt) hier etwas stiefmütterlich behandelt, dabei sind sie in der Tat sehr interessant. Weitere Informationen gibt es hier: de.wikipedia.org/wiki/Wendelstein_7-X

    Von Polywell hört man im Moment nicht viel, weil eine Experimentalphase läuft, in der verschiedene Komponenten des Systems reviewt und überarbeitet werden. Richard Nebel, der heutige Chefentwickler, sagte einst, dass man zwischen Ende 2010 und Sommer 2011 wissen würde, ob das ganze machbar ist oder nicht. Bis dahin unterliegen die Ergebnisse aber der Geheimhaltung (u.a., weil die US Navy mitentwickelt). Man hört aber ab und zu Gerüchte, so soll auf einer Navy-Konferenz zum Thema künftige Technologien der Polywell-Fusor sehr positiv erwähnt worden sein. Aber wir werden einfach abwarten müssen.

  5. Nochwas: Die Entscheidung für den Bau des Wendelstein 7-X war höchst riskant. Denn zu dem Zeitpunkt (Ende der 90er) waren viele der dort nun verwendeten Geräte und die Technolgie zu ihrer Herstellung noch garnicht vorhanden, wie etwa die riesigen mehrere hundert tonnen schweren Supraleiter, die riesigen Diamanten und die Hochleistungsmikrowellen. Man spekulierte eiskalt das diese innerhalb der nächsten 10 Jahre entwickelt würden. Dies gab esin der Wissenschaft und Technik schon öftern, nur ging es öfter auch schief und es rollten Köpfe. Gelingt es hingegen feiert man die Entwickler als Helden, Wegbereiter usw.

    Trotzdem beschlich mich auf dem Heimweg ein komiches Gefühl, die Frage ob die ganze Anlage nicht nur ein millionenschweres Perpetuum mobile ist, versteckt hinter komplizierter Technik?

  6. Ich war vor kurzem beim Tag der offenen Tür im Wendelstein 7-x. Ich muss sagen, es hat sich sehr gelohnt. Es war äußerst interessant das alles mit eigenen Augen sehen zu können und mit den Wissenschaftlern und Technikern direkt sprechen zu dürfen und dieser ist auch wohl der am weitesten entwickelte Reaktortyp. Den ITER soll erst 2017 fertig sein und vom Polywell hört man nicht mehr wirklich viel.

    Ich will mal hier einiges zusammentragen, was ich auch noch nicht wusste obwohl ich seit Jahren sehr interessiert bin an der Kernfusion. Der Wendelstein 7-X ist jedenfalls der komplizierteste aller Reaktortypen. Er ist 16 m lang und bietet 840m³ Rauminhalt für das Plasma. Aber die Dichte des Plasmas wird sehr gering sein, man kommt auf eine Masse weniger als 1 Gramm! Aber er wird noch keinen Strom erzeugen, da eine Wärmekraftkopplung fehlt und die Anlage dafür etwa doppelt so groß sein müsste. Er erzeugt 3 GW thermische Leistung. Er nutzt supraleitende nahe dem absoluten Nullpunkt stickstoffgekühlte verdrehte Spulenringe für den Plasmaeinschluß, welche auf den Zehntelmillimeter genau geschweisst sein müssen. Dies ist nötig, da er für den Betrieb und die Aufrechterhaltung der Kernfusion wenig Strom benötigen soll, denn anders als ITER ist Wendelstein für den Dauerbetrieb(!) ausgelegt. Die Spulen sollen hier hauptsächlich durch ihre Form einen optimalen Plasmaeinschluß gewährleisten. Die Kühlung deshalb, weil ein Magnet dann sein Kraftfeld vollständig nach aussen abgibt, also ohne Polung was wiederum Strom spart. Zusätzlich kann man aber auch sekündäre Felder anlegen, was bei ITER einzig und allein den Plasmaeinschluß gewährleisten soll. Da liegt bei ITER aber der Haken und vielleicht auch bei Polywell, man kann nicht unendlich große Ströme anlegen, denn bei steigender Heftigkeit der Kernfusion müsste man dies tun um das fusionierende Plasma am Austritt an bestimmten Stellen zu hindern. Die Folge ist dann immer eine Abschaltung des gesamten Systems, so wie bei Tokamak schon etliche Male geschehen, die haben bisher nicht mehr als 20 s Kernfusion erreicht. Und ITER baut auf dem Tokamak-Prinzip auf, ist also relativ simple.

    Nun was zu den Materialien und Geräten. Die Reaktorwand wird natürlich durch Neutronen aktiviert, ist aber ein Spezielstahl, der eine derart kurze Halbwertszeit hat, das man nach 10 Jahren Essbesteck daraus machen könnte! Diesen stellt eine deutsche Firma her. Die Mikrowellenheizung ist die grösste der Welt, sie hat eine Leistung von 10 MW und besteht aus 10 Einheiten, jede also 1 MW. Der Bau einer Einheit dauert 6 Monate, also 5 Jahre insgesamt. Der 10 MW-Mikrowellenstrahl wird 100 m weit geleitet von der Mirkowelle zum Reaktor, mittels psezieller Parabolspiegel. Der Reaktor selber hat 11 tellergoße Fenster, wo der Strahl eintrifft um das Plasma zu heizen. Diese Fenster bestehen aus reinem Diamant mit 240 Karat!!! Da nur Diamant Mikrowellen ungehindert passieren lässt, Glas würde auf der Stelle zerstört werden.

    Es gibt übrigens eine Vorgänger des Wendelstein, nämlich \“WEGA\“. Dieser läuft bereits seit den 70er Jahren und ist nun ebenfalls dort vor Ort. Dies ist aber wir Tokamak und ITER nur ein einfacher Ring, der also starke Sekundärfelder braucht somit mehr verschlingt als abwirft. Aber die Ergebnisse dessn flossen in Wendelstein ein.

  7. Ich bin natürlich kein involvierter Ingenieur, aber ich kann versuchen, dir deine Fragen nach bestem Wissen und Gewissen zu beantworten.

    Die Temperaturen im Zentrum sind hoch genug, dass keine Rekombination stattfindet. Die auftretenden Teilchengeschwindigkeiten entsprechen jedenfalls Millionen von Grad. Die Heliumkerne, die bei der Fusion entstehen, haben eine sehr viel höhere Energie als die Kerne der Atome, die direkt als Treibstoff in die Fusion eingehen. Ihre Bewegung trägt sie somit weiter, so dass sie \“weiter draussen\“ eingefangen werden können.

  8. Hmm, ich denke das die Fusionsdichte nicht all zu hoch sein wird. Wie hoch sind denn die Temperaturen im Zentrum? Nicht das die Ionen sich gleich mit den Elektronen verbinden.

    Und das mit der Energiegewinnung kann ich mir nicht vorstellen. Werden die Heliumkerne nicht auch vom Elektronenpotential gebunden, so das sie quasi keine Energie in ein Magnetfeld übertragen? Ganz davon abgesehen: Wo soll denn das Magnetfeld sein, was die Heliumkerne abbremst, wenn da doch noch das Eindämmungsfeld ist?

  9. Die ähnlichkeit zur Fusion in einem Stern wird bei der Polywellfusion durch den sphäroiden Aufbau der Fusionskammer deutlich: statt dass die Gravitation die Ionen anregt, nahe zusammen zu rücken, ist es hier ihre elektrische Ladung (siehe Beschreibung oben und im Fusions-Artikel). Bei einem Tokamak hingegen gibt es im Prinzip nichts, was das Plasma zusammenpresst, entsprechend viel höher müssen die Temperaturen sein. Ein Polywell-Fusor hingegen kann theoretisch sogar Wasserstoff-Bor fusionieren, was für Tokamaks völlig unmöglich ist.

    Zur Fusionsdichte, siehe Artikel: im WB-6-Experimentalreaktor waren es eine halbe Milliarde Deuterium-Atome pro Sekunde. Viel zu wenig für Break-even, aber das wurde bei der Grösse auch nicht erwartet.

    Bei Polywell wird im Gegensatz zu ITER nicht die Neutronenheizung, sondern die Abbremsung der entstehenden Helium-Kerne in einem den Reaktor umgebenden Magnetfeld zur Stromerzeugung genutzt. Das ist viel effizienter (weil es eine direkte Umwandlung ist, im Gegensatz zur indirekten über Heizung und Dampfturbine), zudem verhindert man dadurch eine radioaktive \“Verseuchung\“ des Hüllenmaterials durch Neutronenbombardement.

  10. Nein, natürlich ist kein Stern wie der Tokamak.
    Aber Sterne haben etwas, was wir nicht haben. Und zwar, was ich unten schon beschrieben habe, Größe. Sie betreiben Kernfusion allein durch ihr da sein. Soviel konzentrierte Masse übet, durch ihre Gravitation, einen enormen Druck auf das Innere aus, wodurch es automatisch zur Kernfusion kommt.
    Diesen Druck könne wir auf der Erden nicht simulieren. Wir können hohe Temperaturen erzeugen, die den Druck kompensieren können, was wiederum eine Menge Energie bedarf.

    Zur Polywellfusion:
    Wie hoch ist die Fusionsdichte?
    Und, wie wird die dabei entstehende Strahlung in elektrischen Strom umgewandelt?

  11. Der Polywell-Fusor funktioniert eben nach einem ganz anderen Prinzip als ITER oder Wendelstein 7-X. Aussagen über diese Maschinen lassen sich nicht ohne weiteres auf andere Fusionsmaschinen, die ganz andere Grundlagen haben, übertragen. Es ist richtig, dass eine bestimmte Grösse nötig ist, damit mehr Energie produziert wird, als reingesteckt wird – bloss, bei der Polywell-Fusion ist diese Grösse mit 1.5 m Radius sehr viel kleiner als bei ITER.

    Robert Bussard hat das mal sehr schön gesagt (frei übersetzt): Wir wissen, dass die Natur Fusion betreibt – aber kein einziger Stern ist Toroidal (wie ein Tokamak).

  12. Nach dem heutigen Stand der Technik, muss man Fusionsreaktoren sehr groß bauen, damit man genügend Netto-Energie erzeugen kann. Deshalb ist ITER auch so teuer.

    Aber es gibt da noch den Wendelstein 7-X!^^

  13. So wie ich das verstanden habe: Die Ionen sind sehr schnell unterwegs – sie haben eine Geschwindigkeit, die einer Temperatur von Millionen Grad entspricht. Insofern liegen sie als Plasma vor, und wenn es ihnen doch gelingen sollte, ein einzelnes Elektron mitzunehmen, wird es ihnen von einem anderen Elektron gleich wieder entrissen.

  14. mal ganz blöd gefragt: da fliegt also ein positiv geladenes Ion durch eine massive Elektronenwolke, was hindert es eigentlich daran sich aus dieser Wolke ein Elektron mitzunehmen und dann einfach als neutrales Atom auf der gegenüber liegenden Wand einzuschlagen?

  15. 10 Mio sind für die Entwicklung des WB-8 und des darauf folgenden WB-8.1 geplant – das sind relativ kleine, relativ simple Maschinen, die gegenüber dem heutigen Modell nur graduell verändert wurden. Die Entwicklung eines kommerziellen Reaktors würde, so EMC2, ca 100-200 Mio Kosten bedeuten. Immer noch ein Schnäppchen gegenüber ITER.

  16. Fast zu schon um wahr zu sein, aber sag niemals nie.
    Das Budget scheint mir aber mit 10 Mio doch etwas zu tief gestapelt.
    Wenn das Zeug wirklich funkt, dann tut es das hoffentlich bevor Milliarden im ITER verschwinden. Wenn es nicht funkt ist doch gut dass wir den ITER bauen.

    Abwarten, man soll den Tag nicht vor dem Abend loben.

  17. Das hört sich ja schon fast zu gut an, um wahr zu sein. Und auch wenn das Ganze in den USA entwickelt wird, es würde bei mir doch eine gewisse Schadenfreude auslösen, wenn dieser Reaktor schneller zu Ergebnissen führe, als ITER.

    Vielen Dank, für die Informationen!

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