Kurznachrichten 02/2021

Fortschritte bei der Laserfusion

An der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien ist im August diesen Jahres ein Durchbruch in der Fusionsforschung geglückt. Erstmals konnte fast genauso viel Energie erzeugt werden, wie Laserenergie aufgewendet wurde – mehr als 1300 Kilojoule. Prof. Markus Roth, Physiker und Experte für Laserfusions-Forschung an der TU Darmstadt, der am Bau des bei dem Experiment verwendeten Lasers mitgearbeitet hat, schätzt den Forschungserfolg für die weltweite Energiewirtschaft sehr hoch ein. Er erklärte:

„Dies ist ein Meilenstein in der Fusionsforschung mit Lasern und wird die weitere Forschung zur Nutzung der Fusion zur Energiegewinnung stark beflügeln.

Das Ergebnis ist besonders für die zivile Nutzung für die Energieversorgung von Interesse. Es zeigt den großen Fortschritt im Verständnis der zugrunde liegenden Physik, der Entwicklung in der Lasertechnik und der Herstellung von Fusionstargets mit hoher Qualität.

Bei allen Versuchen in der Vergangenheit verhinderten Instabilitäten oder eine Asymmetrie im Strahlungsfeld eine Zündung. Die großartigen Fortschritte der letzten Jahre im Verständnis der Laser-Plasma-Wechselwirkung gipfelten in dem Experiment am 8. August am Lawrence Livermore National Laboratory, bei dem rund zehnmal mehr Energie durch die Fusion erzeugt wurde als in den bisherigen Experimenten.“

Diese künstlerische Darstellung zeigt ein Target-Pellet in einer Hohlraumkapsel mit Laserstrahlen, die durch Öffnungen an beiden Enden eintreten. Die Strahlen komprimieren und erhitzen das Target auf die Bedingungen, die für die Kernfusion erforderlich sind. Quelle: NIF

Bei diesem Trägheitsfusion genannten Verfahren befindet sich eine etwa zwei Millimeter große Kapsel, welche mit den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium gefüllt ist, im Inneren eines etwa einen Zentimeter langen, hohlen Metallzylinders. Von beiden Enden des Zylinders strahlen jeweils 96 Laserstrahlen in den Hohlraum und erzeugen im Innern ein extremes Strahlungsfeld. Dieses verdampft die Außenseite der Kapsel, und das Innere der Kapsel wird ins Zentrum hin beschleunigt. Dort treffen alle Teile des Deuterium- und Tritium-Brennstoffs mit ca. 300 bis 400 Kilometern pro Sekunde aufeinander und erzeugen eine Dichte und eine Temperatur, die die Atomkerne miteinander verschmelzen läßt. Das dabei entstehende Helium heizt den Brennstoff weiter auf und erlaubt es einem bestimmten Anteil des Brennstoffs zu verschmelzen, bis der Brennstoff schließlich wieder auseinanderfliegt. Bei diesem Prozeß werden große Mengen Energie freigesetzt. Siehe auch die Mitteilung des LLNL.

Medizin- und Agrarsektor können von Nukleartechnologien profitieren

In einem Artikel vom 12. August 2021 mit dem Titel „Nuclear energy to improve healthcare services and food production“ hat die Brüsseler Wochenzeitung New Europe die Vorteile der Kernenergie für Verbesserungen bei medizinischen Behandlungen und in der landwirtschaftlichen Produktion betont. Bei mehr als einem Drittel der medizinischen Verfahren würden Strahlung oder radioaktives Material eingesetzt, insbesondere bei der Untersuchung der Funktionsweise von Organen, wobei medizinische Radioisotope als Tracer im Körper des Patienten verwendet werden. Mit Hilfe der Computertechnologie werden dann qualitativ hochwertige Bilder erstellt, die eventuelle Erkrankungen aufzeigen können. Insgesamt zeigt die Erfahrung, daß die Kerntechnik bei der Diagnose von Krankheiten schnell, sicher und präzise ist.

Laut dem Food Irradiation Global Market Outlook werden weltweit fast 1 Million Tonnen Lebensmittel mit Strahlung sterilisiert. Viele Anbieter sind in diesem Bereich tätig, von Food Technology Service und Sterigenics International mit Sitz in den USA bis hin zum russischen Atomriesen Rosatom, der in diesem Jahr das Mehrzweck-Bestrahlungszentrum in El Alto, Bolivien, in Betrieb nehmen will, wo täglich über 70 Tonnen Produkte verarbeitet werden können.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Förderung der Pflanzenproduktion durch die Nutzung radioaktiver Isotope, die in konventionellen und modernen Kernreaktoren erzeugt werden. Diese Isotope helfen bei der Züchtung von ertragreichem Saatgut und bei der Bestimmung der Wirksamkeit von Düngemitteln für verschiedene Pflanzen. Außerdem können invasive Schädlinge, die Nutzpflanzen befallen, bekämpft werden, da Nukleartechnologien wie die Sterilisationsinsektentechnik dazu beitragen, die Vermehrung von Insekten, die Pflanzen befallen, zu reduzieren.

Organische Nanoröhren erweitern das Potential in der Biomedizin

Forscher der University of Houston haben mit der Entwicklung eines elektrochemischen Aktuators, der spezielle organische Halbleiternanoröhren (OSNTs) verwendet, einen Durchbruch auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und -technik erzielt. Phys.org berichtet: „Der Aktuator, der sich derzeit in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, wird ein wichtiger Teil der Forschung sein, der zur Zukunft der Robotik, Bioelektronik und Biomedizin beiträgt.“

Bei den verwendeten organischen Halbleitern handelt es sich um sogenannte „konjugierte Polymere“, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften für viele Anwendungen attraktiv sind. Ihr Potential liegt in den praktisch unendlichen Möglichkeiten, neue Materialien für spezifische Anwendungen zu schaffen, indem einfach die Molekularstruktur chemisch angepaßt wird. Konjugierte Polymere können elektrische Eigenschaften erreichen, die denen von nichtkristallinen anorganischen Halbleitern ähneln; ihre chemische Struktur ist jedoch viel komplexer und ähnelt der von Biomakromolekülen. Diese Entwicklung könnte einen Durchbruch in den Bereichen der weichen Robotik (sowohl auf der Erde als auch im Weltraum), der Schaffung künstlicher Muskeln (die bei Prothesen für Amputierte eingesetzt werden könnten) und biomedizinischer Geräte bedeuten.

China beginnt Tests mit Thoriumreaktor

Wissenschaftler in China wollen in Kürze einen Versuchsreaktor in Betrieb zu nehmen, der manchen als der Heilige Gral der Kernenergie gilt – sicherer, billiger und ohne mögliche Waffenanwendung. Die Bauarbeiten an dem auf Thorium basierenden Flüssigsalzreaktor sollen noch im August abgeschlossen werden, und die ersten Tests sollen im September beginnen, hieß es in einer Erklärung der Provinzregierung von Gansu. Bei dem neuen Reaktor, der in Wuwei am Rande der Wüste Gobi in Nordchina entsteht, handelt es sich um einen experimentellen Prototyp, der eine Leistung von nur 2 Megawatt haben soll.

Schema eines Flüssigsalzreaktors vom Typ Single Fluid MSR. Quelle: Wikipedia

Einem in der chinesischen Fachzeitschrift Nuclear Techniques erschienenen Artikel des Shanghai Institute of Applied Physics zufolge besteht der längerfristige Plan darin, in China eine Reihe kleiner Flüssigsalzreaktoren zu entwickeln, die jeweils eine Leistung von 100 Megawatt haben, was für die Versorgung von etwa 100.000 Menschen ausreicht. Flüssigsalzreaktoren benötigen kein Wasser zur Kühlung wie herkömmliche Kernkraftwerke und können daher auch in Wüstengebieten gebaut werden, heißt es in dem Papier, etwa in den dünn besiedelten westlichen Regionen Chinas. Die ersten kommerziellen Anlagen, die die neue Technologie nutzen, sollen voraussichtlich 2030 ans Netz gehen.

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