General Atomics erhielt kürzlich vom Bundesstaat Kalifornien Steuergutschriften für die Planung und den Bau einer neuen Testanlage in San Diego, um eine Schlüsselkomponente in einem Kernfusionsreaktor zu testen – eine Fusionszuchthülle, die „hausgemachten Brennstoff“ für den Reaktor produzieren und gleichzeitig Strom erzeugen kann. Dieser Schritt gilt als wichtiges Signal für Kalifornien, seine Ausrichtung im Bereich der Kernenergietechnologie der nächsten Generation zu verbessern, und bietet außerdem eine wichtige technische Verifizierungsplattform für die kommerzielle Kernfusion, um sich auf den Weg zu einem „autarken Brennstoff“ zu machen.

Die Kernfusion gilt als die „ultimative Energielösung“, von der erwartet wird, dass sie die globale Energielandschaft grundlegend verändern wird. Die Realisierung eines kommerziell nutzbaren Fusionskraftwerks ist jedoch nicht so einfach wie das Zünden einer Kernfusionsreaktion im Labor. Derzeit kann jedes Physiklabor unter bestimmten Voraussetzungen eine Fusionsreaktion in einem Desktop-Gerät durchführen. Das eigentliche Problem besteht darin, einen kommerziellen Reaktor zu bauen, der über einen langen Zeitraum stabil arbeitet, eine Nettoenergieausbeute erzielt und technisch machbar ist. Das technische Design muss nicht nur dafür sorgen, dass der Reaktor weit mehr Energie produziert, als er verbraucht, sondern auch den spezifischen Weg der Energieumwandlung in Elektrizität berücksichtigen und sicherstellen, dass das System auch unter extremen Bedingungen wie starken Magnetfeldern, extrem hohen Temperaturen und hochintensiver Neutronenstrahlung über ausreichende strukturelle Festigkeit und langfristige Zuverlässigkeit verfügt.

In der aktuellen Forschung und Entwicklung der Kernfusionstechnologie ist die Entwicklung und Verifizierung verschiedener technischer Komponenten einer der Kernschwerpunkte, unter denen die als „Fusionsbrutdecke“ bezeichnete Komponente besonders wichtig ist. Wie der Name schon sagt, handelt es sich hierbei um eine „Umhüllung“ aus einer Lithiumlegierung, die die Innenwand der magnetischen Einschlusskammer (Tokamak) in der Nähe des Hohlraums bedeckt, der das Hochtemperatur-Wasserstoffplasma enthält. Diese Hülle hat eine doppelte Aufgabe: Einerseits fängt sie die durch die Fusionsreaktion erzeugte Neutronenenergie ein, wandelt sie in Wärme um und wandelt sie dann über herkömmliche thermoelektrische Umwandlungsverbindungen in Elektrizität um. Andererseits nutzt es diese Neutronen, um mehr Fusionsbrennstoff zu „kultivieren“, um den Betrieb des Reaktors aufrechtzuerhalten und fortzusetzen.

Das aktuelle Mainstream-Fusionsreaktionsdesign verwendet einen gemischten Brennstoff aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium. Deuterium lässt sich relativ leicht aus Wasser extrahieren, während Tritium sehr knapp ist. Seine radioaktive Halbwertszeit beträgt etwa 12,32 Jahre, was bedeutet, dass die Gesamtmenge des natürlich vorkommenden Tritiums auf der Erde nur etwa 4 Kilogramm beträgt. Daher muss der in Fusionsreaktoren verwendete Tritiumbrennstoff fast künstlich hergestellt werden. Der gängige Weg besteht darin, Lithium mit Neutronen zu bombardieren, um eine Kernreaktion zur Erzeugung von Tritium auszulösen. Die Fusionsbruthülle spielt bei diesem Prozess eine Rolle: Wenn hochenergetische Fusionsneutronen kontinuierlich die Lithiumlegierungsschicht bombardieren, wird ein Teil der Neutronen vom Lithiumkern absorbiert, wodurch dieser zu Helium und Tritium spaltet und eine enorme thermische Energie von etwa 4,8 MeV freisetzt. Der entsprechende Kernreaktionsprozess kann durch die Formel ⁶Li + n → ⁴He + ³H + 4,8 MeV ausgedrückt werden.

Obwohl dieser Prozess vom physikalischen Prinzip her relativ klar ist, ist er bei der technischen Umsetzung voller Herausforderungen. Zu diesem Zweck wird General Atomics mit dem US-Energieministerium, dem Idaho National Laboratory, der University of California, San Diego und mehreren industriellen und akademischen Partnern zusammenarbeiten, um gemeinsam die „Blanket Component Test Facility“ zu bauen. Das Ziel der Anlage besteht darin, systematische Tests der vollständigen Fusionszuchthülle unter Bedingungen durchzuführen, die den realen Reaktorbedingungen nahekommen, um ihre strukturelle Haltbarkeit in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hoher Strahlung zu bewerten und gleichzeitig ihre Wärmeproduktionskapazität und Tritiumproduktionsrate quantitativ zu messen.

Das Projektteam hofft, dass durch den Abschluss der Verifizierung von Schlüsselindikatoren wie thermodynamischen Eigenschaften, Materialstabilität und Brennstoff-„Züchtungseffizienz“ der Verkleidungskomponenten im Vorfeld in dieser Anlage beim Bau der ersten kommerziellen Fusionskraftwerke die ausgereifte Verkleidungstechnologie, die die technische Verifizierung bestanden hat, direkt unterstützt werden kann. Auf diese Weise wird erwartet, dass künftige Fusionsreaktoren in den frühen Betriebsphasen über die Fähigkeit verfügen, sich selbst mit Brennstoff zu versorgen, wodurch die Abhängigkeit von externen Tritiumquellen erheblich verringert wird und die Fusionsenergie dadurch eine solidere Grundlage in Bezug auf Sicherheit, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit erhält.