Eines Tages im August 2023 brach in allen wichtigen Sektoren eine Neuigkeit aus: Chinas künstliche Sonne „Gyre 3“ erreichte zum ersten Mal den Betrieb im High-Constraint-Modus unter einem Plasmastrom von 1 Million Ampere, was ein wichtiges Denkmal für die Karriere meines Landes im Bereich der kontrollierbaren Kernfusion darstellt. „Gyre 3“ wendet eine Art magnetische Einschlussfusion an, was bedeutet, dass der Brennstoff zunächst erhitzt wird, um ihn in Plasmaform zu bringen, und dann das Magnetfeld verwendet wird, um die geladenen Teilchen im Hochtemperaturplasma einzuschränken, wodurch es sich spiralförmig bewegt und das Plasma weiter erhitzt, bis eine Kernfusionsreaktion stattfindet.
Um es ganz klar auszudrücken: Das Erreichen eines High-Constraint-Modus-Betriebs unter 1 Million A-fachem Plasmastrom ist wie die Entwicklung eines goldenen Reifens für Sun Wukong. Durch das Rezitieren des Straffungsfluchs kann Sun Wukong gute Taten vollbringen, anstatt vorsätzliche Dinge zu tun.
Weltweit gibt es viele Möglichkeiten, einen magnetischen Fusionseinschluss zu erreichen. Zum Beispiel die Ringmagnetmaschine, auch Tokamak genannt. Es funktioniert durch ein elektrisches Feld, das von einem Transformator erzeugt wird, der einen Strom (großer roter Pfeil) durch eine Plasmasäule treibt und so ein poloidales Magnetfeld erzeugt, das den Plasmastrom in einen Kreis biegt (grüner vertikaler Kreis). Das Biegen der Plasmasäule in einen Kreis verhindert ein Auslaufen und erzeugt in einem donutförmigen Behälter ein Vakuum. Das andere Magnetfeld, das die Länge des Kreises umgibt, wird toroidales Magnetfeld (grüner horizontaler Kreis) genannt. Die beiden Felder bilden zusammen eine dreidimensionale Kurve, die einer Spiralstruktur ähnelt (schwarz dargestellt), in der das Plasma stark eingeschlossen ist. Um es ganz klar auszudrücken: Es ist wie ein Esel, der eine Mühle zieht. Der Esel wird immer um den Mühlstein kreisen und dann durch die Drehung des Mühlsteins etwas produzieren.
Das oben erwähnte Plasma bezieht sich auf den Zustand eines Gases bei extrem hohen Temperaturen. In einem Plasma werden den Atomen Elektronen entzogen. Atome, die Elektronen verloren haben und den Kern umkreisen, befinden sich in einem ionisierten Zustand und werden Ionen genannt. Daher besteht Plasma aus Ionen und freien Elektronen. Plasma weist eine nahezu perfekte Leitfähigkeit auf und weist unter dem Einfluss eines Magnetfelds verschiedene dreidimensionale Strukturen wie Filamente, Zylinder und Doppelschichten auf. Magnetfelder können auch zum Einfangen, Bewegen und Beschleunigen verschiedener Plasmen verwendet werden. Das Gleiche gilt für Sun Wukong. Er wurde im Alchemieofen von Taishang Laojun mit durchdringenden Augen und goldenen Augen verbrannt. Nachdem er herausgekommen war, konnte er den weißen Knochengeist auf einen Blick durchschauen.
Im Allgemeinen ist die bei der Kernfusion am häufigsten verwendete Einheit Megawatt, also MW. Beispielsweise führte der europäische Joint-Ring-Fusionsreaktor 1991 zum ersten Mal eine kontrollierte Fusion durch und erzeugte etwa 1,7 MW Strom. Obwohl es nur 2 Sekunden dauert, ist es einer der wichtigsten Teile in der Geschichte der menschlichen sauberen Energie. Im ursprünglichen Nachrichtenartikel sehen wir jedoch nur die Stromeinheit (Ampere), während Megawatt das Produkt aus Strom und Spannung ist. Dies bedeutet, dass „Gyre Current No. 3“ derzeit hauptsächlich eine Steuerungsmethode implementiert, die nach dem Anlegen einer Spannung in eine Stromerzeugung, also eine Reaktorzündung, umgewandelt werden kann. Aus diesem Grund wird es mit Sun Wukongs goldenem Reifen verglichen.
Um ein unangemessenes Beispiel zu nennen: Selbst wenn eine herkömmliche AA-Batterie an „Hybrid 3“ angeschlossen ist, kann die Stromerzeugung 1,2 MW erreichen. Eine verschleierte Erklärung für den Goldgehalt des hohen Einschlusses von 1 Million Ampere-Plasma.
Forschung und Entwicklung auf dem Weg zum Lernen
Im November 2006 unterzeichneten China, die Europäische Union und weitere sieben Parteien eine Vereinbarung zum Start des Internationalen Programms für experimentelle thermonukleare Fusionsreaktoren. Dieser Plan wird von ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) gefördert, indem er die wichtigsten wissenschaftlichen und technologischen Errungenschaften der Kernfusion mit kontrolliertem magnetischem Einschluss in der heutigen Welt integriert und eine Vielzahl technischer Probleme löst. Im Jahr 2007 begann Frankreich mit dem Bau eines 500-MW-Tokamaks.
In der Maschine wird das Plasma auf 150 Millionen Grad Celsius erhitzt, zehnmal heißer als der Kern der Sonne, um Kernfusionsreaktionen durchzuführen. Die Temperatur der supraleitenden Magnete in der Maschine liegt dagegen unter minus 269 Grad Celsius. Insgesamt werden für diesen Tokamak etwa 10 Millionen Teile benötigt, die aus der ganzen Welt zur ITER-Baustelle gebracht werden. Was ist das Konzept von 150 Millionen Grad Celsius? Nach der Interpretation von „Reise in den Westen“ durch spätere Generationen hat Red Boys Samadhi True Fire nur vier- oder fünftausend Grad Celsius. Die Temperatur des Reaktors entspricht 300.000 zusammengebundenen Red Boy.
Laut dem neuesten Bericht von ITER ist die Maschine zu 50 % zusammengebaut und wird im Dezember 2025 ihre erste Betriebsphase durchlaufen. Sobald diese Maschine perfekt funktioniert, werden alle fossilen Brennstoffe auf der Welt durch saubere Energie ersetzt.
Aber genau wie in „Reise in den Westen“ beschrieben, verfügt Sun Wukong über enorme übernatürliche Kräfte und grenzenlose magische Kräfte. Es wäre auch ein Narrentraum, ihn nur mit einem kleinen goldenen Reifen fesseln zu wollen. Nehmen wir als Beispiel die einfachste Zündung: Wenn die Reaktortemperatur nicht auf mehr als 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden kann, reagiert der Reaktor nicht. Derzeit ist die Hauptheizmethode die ohmsche Erwärmung, bei der mithilfe einer Hochfrequenzentladung neutraler Wasserstoff ionisiert wird, um ein kaltes Plasma zu bilden, das durch den Strom eines großen poloidalen Magnetfelds erhitzt wird, das entlang der Ringspule erzeugt wird. Obwohl oben erwähnt wurde, dass Plasma eine nahezu perfekte Leitfähigkeit aufweist, weist es auch einen gewissen Widerstand auf, und es wird immer noch Wärme erzeugt, wenn Strom durch das Plasma fließt. Allerdings sinkt der spezifische Widerstand des Plasmas mit steigender Elektronentemperatur stark, was dazu führt, dass auch die Leistungsdichte der ohmschen Erwärmung stark abnimmt, was den Einsatz der ohmschen Erwärmung einschränkt.
Eine weitere Methode ist die hochenergetische Neutralteilchenstrahl-Injektionsheizmethode, eine Heizmethode, die hauptsächlich im Tokamak verwendet wird. Der zur Plasmaerwärmung verwendete Neutralteilchenstrahl ist im Allgemeinen ein hochenergetischer neutraler Neonatomstrahl. Die hochenergetischen Neutralteilchen werden vom Magnetfeld in der Fusionsanlage nicht beeinflusst und können direkt in den zentralen Bereich des Plasmas injiziert werden. Sobald die neutralen Atome in das Plasma gelangen, werden sie durch den Ladungsaustausch- und Kollisionsprozess sofort zu Ionen ionisiert. Diese hochenergetischen Ionen werden vom Magnetfeld eingefangen und durchlaufen dann eine Coulomb-Kollision mit dem ursprünglichen Plasma. Dem Plasma wird Energie zugeführt, um den Zweck der Erwärmung zu erreichen.
Allerdings nimmt die Effizienz des hochenergetischen Ionenstrahls in der Ionenquelle, Elektronen einzufangen und sie in der neutralisierten Gaskammer in neutrale Teilchenstrahlen umzuwandeln, stark ab, wenn die Energie der Teilchen zunimmt. Wenn ein negativer Ionenstrahl aus der Ionenquelle gezogen wird, nimmt die Effizienz der Umwandlung negativer Ionen in neutrale Teilchen mit zunehmender Energie nicht wesentlich ab. Dies liegt daran, dass es viel einfacher ist, überschüssige Elektronen von negativen Ionen zu trennen, sodass eine leistungsstarke negative Ionenquelle erforderlich ist.
Darüber hinaus stellt das Vorhandensein von Kohlenstoff- und Sauerstoffverunreinigungen aufgrund der Absorption von Gas durch die Spulenwand eine wichtige Einschränkung der Heizeffizienz des Neutralstrahls dar. Die Konzentration von Kohlenstoff und Sauerstoff kann 1 % erreichen. Durch den Ladungsaustausch zwischen dem Neutralstrahl und diesen Verunreinigungen entstehen stark angeregte Kohlenstoff- und Sauerstoffionen, die durch ihre lineare Strahlung Energie verlieren, was zu einem plötzlichen Rückgang der Heizeffizienz führt.
So wie man einundachtzig Schwierigkeiten überwinden muss, um aus der Erfahrung zu lernen, hat die Kernindustrie meines Landes trotz der Schwierigkeiten auf dem Weg zu einer kontrollierbaren Fusion bereits seit 1980 in vielen Bereichen wichtige Forschungsergebnisse erzielt. Aufgrund der oben genannten Vorteile von Tokamak widmet sich die chinesische Fusionsforschungsgemeinschaft seit Jahrzehnten dem Tokamak-Plasma. Von 1980 bis Mitte der 1990er Jahre wurden kleine und mittelgroße Tokamak-Geräte wie HT-6B, HT-6M, HL- und HL-1M entwickelt.
In den Jahren 1994 und 2002 baute mein Land auf der Grundlage der von Russland (T-7 Tokamak) und Deutschland (ASDEX Tokamak) bereitgestellten Ausrüstung HT-7 und HL-2A am Asian Institute of Scientific Physics bzw. SWIP, womit China das vierte Land war, das in der Lage war, supraleitende Tokamaks zu entwickeln. Genau aus diesem Grund baute China den weltweit ersten Tokamak-EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, kurz EAST). EAST ist der weltweit erste vollständig supraleitende Tokamak mit oberen und unteren Divertern. Es ist für den Betrieb im Langimpuls-, Steady-State- und High-Constraint-Modus ausgelegt und hat eine Entladung im High-Constraint-Modus von 101 Sekunden erreicht. EAST entwickelt sich zu einem der wichtigsten Tokamak-Geräte der Welt und kann Hochleistungs-Langpuls-Betriebsszenarien für zukünftige Geräte (einschließlich ITER und CFETR) bereitstellen.
Was Chinas magnetisches Kernfusionsunternehmen betrifft, ist EAST nur der erste Schritt. Als nächstes wird unser Land den Langpuls-Hochspannungsmodus und den stationären Betrieb moderner Heizungs- und Stromantriebe und -diagnosen realisieren; Durch HL-2M werden wir Hochleistungsplasmaphysik unter hoher Hilfsheizleistung untersuchen. Der nächste Schritt besteht darin, Schlüsseltechnologien im Zusammenhang mit ITER und CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor) zu entwickeln. „Nicht alle Wanderer haben den Weg verloren.“ Die vier Meister und Schüler des Tang-Mönchs hatten klare Richtlinien und kamen schließlich im Leiyin-Tempel an, um die wahre Schrift zu erhalten.
Der Bau des CFETR wird voraussichtlich in den 2030er Jahren abgeschlossen sein. Der CFETR-Einsatzplan ist in zwei Phasen unterteilt. Ziel der ersten Phase ist es, eine Fusionsleistung von 100–200 MW zu erreichen. In dieser Phase werden stationäre Operationen und Tritium-Selbstversorgung als Ergänzung zu ITERQ=10-Operationen untersucht. Q=10 ist eines der Ziele von ITER, was bedeutet, die zehnfache Leistungsrückführung im Plasma zu erzeugen.
Die Fertigstellung der zweiten Phase ist für die 2040er Jahre geplant. Dabei wird auch der Tokamak CFETR mit einer Fusionsleistung von 1 GW vorgeführt. Der Bau des Prototyp-Fusionskraftwerks (PFPP) ist für etwa 2060 geplant. Dies ist der letzte Schritt in Chinas Roadmap für die Fusion mit magnetischem Einschluss zur Errichtung eines kommerziellen Fusionskraftwerks. Aus heutiger Sicht ist das Jahr 2060 weniger als 40 Jahre entfernt und es lässt noch lange auf sich warten. Aber im Bereich der kontrollierbaren Fusion entwickelt sich Chinas Industrie für magnetische Einschlussfusion rasant.
Zentrale für die Entwicklung der Kernenergie in Asien
Im Hinblick auf die Stromerzeugung durch Kernspaltung gibt es derzeit 9.242 große Unternehmen in Chinas Kernenergieindustrie. Die Zahl der registrierten Unternehmen im Jahr 2021 beträgt 2.327, und im Jahr 2022 wurden 1.675 Kernenergieunternehmen registriert. Dies beweist auch, dass sich die Kernenergieindustrie meines Landes in den letzten zwei Jahren sehr schnell entwickelt hat. Es ist zu beachten, dass die Kernstromerzeugung meines Landes nur 5 % der gesamten Stromerzeugung ausmacht, während in anderen entwickelten Ländern wie Russland und dem Vereinigten Königreich die Kernstromerzeugung 19,6 % bzw. 14,2 % der gesamten Stromerzeugung ausmacht. Es ist wahr, dass unser Land tatsächlich viele große Durchbrüche auf dem Gebiet der kontrollierbaren Fusion erzielt hat, aber wenn wir eine wirklich kohlenstoffarme, emissionsarme und saubere Energiegesellschaft erreichen wollen, ist die Kommerzialisierung der Anbindung an das Kernenergienetz ebenfalls ein nicht zu vernachlässigendes Bindeglied.
Der Einsatz von Fusionskraftwerken könnte die Umweltauswirkungen des gestiegenen weltweiten Strombedarfs erheblich verringern, da sie wie die Stromerzeugung durch Kernspaltung keinen sauren Regen oder den Treibhauseffekt verursachen. Angesichts der leichten Verfügbarkeit des Brennstoffs kann die Fusionsenergie problemlos den mit anhaltendem Wirtschaftswachstum verbundenen Energiebedarf decken. Es besteht keine Gefahr, dass die Fusionsreaktion außer Kontrolle gerät. Denn wenn die Reaktion einmal außer Kontrolle gerät, passiert nichts. Obwohl bei der Fusion keine langlebigen radioaktiven Produkte entstehen und die unverbrannten Gase vor Ort entsorgt werden können, wird es aufgrund der Aktivierung von Strukturmaterialien dennoch kurz- bis mittelfristig zu Problemen mit radioaktivem Abfall kommen. Durch den Beschuss mit hochenergetischen Neutronen werden einige Bestandteile während der Lebensdauer des Reaktors radioaktiv und schließlich zu radioaktivem Abfall. Offensichtlich ist dies auch ein wichtiger Aspekt, der bei der Kommerzialisierung der Kernfusionsstromerzeugung berücksichtigt werden muss.
PFPP wird der erste Schritt zur Kommerzialisierung der Kernfusion in China sein. Nach „Gyres-3“ folgen „Gyres-4“ und „Gyres-5“. Jedes Gerät wird einige Durchbrüche bringen und letztendlich die Situation verwirklichen, dass die saubere Kernfusionsenergie meines Landes die traditionelle, nicht erneuerbare Kohlenstoffenergie ersetzen kann.