DOE startet Trägheitsfusionsenergieprogramm nach Durchbruch bei der Zündung

Nach dem Fusionsdurchbruch des Lawrence Livermore National Lab im vergangenen Jahr schafft das DOE neue Forschungszentren, um Fortschritte in der Trägheitsfusionsenergie voranzutreiben, und finanziert zwei Unternehmen, die Konzepte für Trägheitsfusionsreaktoren entwickeln, über ein separates Programm, das der Förderung der aufstrebenden Fusionsindustrie gewidmet ist.

Energieministerin Jennifer Granholm (Mitte) spricht bei der Feier zum Zündungsdurchbruch des Lawrence Livermore National Lab im Mai. Neben ihr sind Zoe Lofgren (D-CA), Mitglied des Wissenschaftsausschusses des Repräsentantenhauses (links), und die Direktorin des Lawrence Livermore National Lab, Kim Budil. (Bildnachweis – LLNL)

Das Fusion Energy Sciences-Programm des Energieministeriums gab letzten Monat bekannt, dass es Vorschläge für Projekte einholt, die sich der Trägheitsfusionsenergie (IFE) widmen, bei der Werkzeuge wie Laser eingesetzt werden, um Atomkerne in einem Treibstoffziel zu komprimieren, bis sie verschmelzen. Das DOE unterstützt seit Jahrzehnten die Trägheitsfusionsforschung durch sein Atomwaffenprogramm, aber das wachsende Interesse an der Finanzierung von Forschung und Entwicklung im Bereich der Energieerzeugung hat sich verstärkt, nachdem das Lawrence Livermore National Lab letztes Jahr die „Zündung“ oder den Nettoenergiegewinn in einem Laser erreicht hat Fusionsexperiment.

Die Abteilung geht davon aus, durch ihre Ausschreibung Zuschüsse in Höhe von insgesamt 45 Millionen US-Dollar zu vergeben und so eine Reihe von IFE-„Wissenschafts- und Technologie-Innovationszentren“ zu schaffen, die über einen Zeitraum von vier Jahren jeweils zwischen 2 und 4 Millionen US-Dollar pro Jahr erhalten. Die Verantwortlichen des Energieministeriums haben gewarnt, dass es wahrscheinlich Jahrzehnte dauern wird, um zu untersuchen, ob IFE eine praktische Energiequelle sein kann, und die Ausschreibung schreibt dementsprechend vor, dass sich die Hub-Vorschläge auf die Grundlagenforschung konzentrieren, die im Rahmen eines von ihm im letzten Jahr gesponserten Workshops priorisiert wurde.

Die IFE-Initiative ist Teil eines größeren Ansatzes, den das Fusion Energy Sciences-Programm vornimmt, um den Weg für den Bau eines Pilotkraftwerks zu ebnen. Beispielsweise verstärkt das Programm die Unterstützung privater Fusionsvorhaben durch eine neue „meilensteinbasierte“ Finanzierungsinitiative. Im Rahmen dieser Initiative wurden gerade acht Zuschüsse zur Unterstützung von Konzepten für eine Pilot-Fusionsanlage vergeben, darunter zwei IFE-Konzepte, mit der Aussicht auf größere Beträge, wenn diese Unternehmen Fortschritte machen. Angesichts der Richtung der jüngsten Verhandlungen über die Bundesausgaben ist es jedoch fraglich, wie viel Geld der Kongress künftig bereitstellen wird.

Die durch die neuen IFE-Zuschüsse des DOE finanzierten Hubs werden mehrere Ziele verfolgen, beispielsweise die Vertiefung des Verständnisses der Physik von Treibstoffzielen, die Verbesserung der Herstellungsmethoden und die schnelle Fokussierung von Strahlen auf diese. Weitere Ziele sind die Verbesserung der „Skalierbarkeit, Modularität, Überlebensfähigkeit, Kompaktheit und Kosten“ von Lasern und anderen Fusionstreibern sowie die Durchführung von Experimenten, die „Zieldesigns mit hoher Verstärkung in Großanlagen“ validieren.

Von den Hubs wird außerdem erwartet, dass sie durch Praktika und Austauschprogramme zur Entwicklung einer IFE-Belegschaft beitragen. Jeder Hub-Vorschlag kann mehrere Institutionen umfassen, wird jedoch eine federführende Institution haben, die ihren Sitz in den USA haben und über „nachweisliche Erfahrung“ mit Trägheitsfusionsmethoden verfügen muss.

Die Aufforderung des DOE ist die erste in einem neuen Programm namens IFE Science and Technology Accelerated Research (IFE-STAR), das die Anweisungen des Kongresses erfüllt, die erstmals im DOE Research and Innovation Act von 2018 enthalten waren. Durch den Energy Act von 2020 forderte der Kongress anschließend DOE jährlich 25 Millionen US-Dollar für IFE auszugeben und gleichzeitig ein Mittelziel von mehr als 1 Milliarde US-Dollar für das Fusion Energy Sciences-Programm als Ganzes festzulegen. Die jüngsten Mittel für das Programm sind jedoch viel langsamer gestiegen und beliefen sich in diesem Jahr auf 763 Millionen US-Dollar. Das DOE hat auch versucht, bei seinem Finanzierungsansatz für IFE überlegt vorzugehen und vor dem Start eines Zuschussprogramms auf die Hinweise des letztjährigen Workshops zu warten.

Zusätzlich zu den Anweisungen des Kongresses wurde die Dynamik hinter der Unterstützung von IFE durch das DOE auch durch die Tatsache erhöht, dass der Meilenstein der Zündung in einem Bericht der National Academies aus dem Jahr 2013 als optimaler Zeitpunkt für den Start eines „nationalen, koordinierten, breit angelegten“ IFE-Programms identifiziert wurde. Das DOE stellt in diesem Geschäftsjahr bis zu 10 Millionen US-Dollar für IFE bereit, nachdem es ursprünglich nur 3 Millionen US-Dollar vorgeschlagen hatte. Es ist jedoch geplant, die Finanzierung auch in Zukunft relativ begrenzt zu halten, und beantragt für das Geschäftsjahr 2024 15 Millionen US-Dollar im Rahmen eines Antrags von mehr als 1 Milliarde US-Dollar für das IFE Das gesamte Programm Fusion Energy Sciences.

Die Genehmigung des IFE-Programms ist Teil eines umfassenderen Richtungswechsels, den der Kongress für das Fusion Energy Sciences-Programm skizziert hat. Weitere Elemente dieser Initiative sind das meilensteinbasierte Programm, die Ausweitung der Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen bei Materialien, die in Fusionsreaktoren verwendet werden sollen, und die Unterstützung „alternativer und unterstützender Konzepte“, die von den vorherrschenden, Tokamak-basierten Ansätzen zur Fusionsenergieerzeugung abweichen.

Zu den wichtigsten Befürwortern dieses Richtungswechsels im Kongress gehört Zoe Lofgren (D-CA), Mitglied des Wissenschaftsausschusses des Repräsentantenhauses, dessen Distrikt in der Nähe von Livermore liegt und das DOE dazu drängt, die Umsetzung neuer Fusionsaktivitäten zu beschleunigen.

Bei einer kürzlichen Anhörung lobte Lofgren den 1-Milliarden-Dollar-Antrag des DOE und die IFE-Aufforderung, die Energieministerin Jennifer Granholm auf einer Veranstaltung in Livermore zur Feier der Errungenschaften des Labors in der Laserfusion bekannt gab. „Ich frage mich nur, ob wir im Hinblick auf Forschung und Entwicklung jetzt, da wir die Weichen dafür haben, größer denken sollten“, bemerkte Lofgren.

Lofgren fragte auch die Unterstaatssekretärin für Wissenschaft und Innovation Geri Richmond nach dem Programm für alternative und befähigende Konzepte, das nicht im Budgetantrag des DOE enthalten ist, und ob Fusion Energy Sciences ein Büro für angewandte Forschung und Entwicklung ähnlich dem Büro für Kernenergie der Abteilung sein sollte.

„Darüber habe ich sehr viel nachgedacht“, antwortete Richmond. „Und wo ich gerade lande, ist, dass wir einfach etwas mehr darüber nachdenken, denn ich möchte nicht, dass die Erwartungen der Leute so hoch werden, weil es so viel grundlegende Arbeit zu tun gibt.“

Der Vorsitzende des Energie-Unterausschusses, Brandon Williams (R-NY), der neu im Kongress ist, schlug ebenfalls vor, dass die Fusion mehr Bundesmittel benötige, und sagte: „Mir scheint, dass die kommerziellen Partner, die privaten Partner, bei der Fusion zurückgelassen wurden.“ Industrie und haben im Vergleich zu anderen Energiequellen unzureichende Bundesmittel erhalten.“

Die privaten Investitionen in die Fusion übersteigen derzeit bei weitem die staatliche Unterstützung: Laut der Fusion Industry Association belaufen sie sich im Jahr 2022 auf insgesamt 4,7 Milliarden US-Dollar. Das meilensteinbasierte Programm des DOE ist der erste große Vorstoß zur Unterstützung privater Bemühungen. Die anfänglichen Zuwendungen belaufen sich auf insgesamt 46 Millionen US-Dollar, verteilt auf acht Unternehmen. Eines dieser Unternehmen, Commonwealth Fusion Systems, hat bereits mehr als zwei Milliarden US-Dollar an Risikokapital eingeworben, um einen kompakten Tokamak zu bauen, der eine Zündung erreichen kann, bevor er zu einem Stromerzeugungsreaktor übergeht. Eine weitere Auszeichnung ging an eine US-Tochtergesellschaft des britischen Unternehmens Tokamak Energy, die wie CFS mit der Entwicklung eines kompakten Tokamak-Designs zügig vorankommt.

Die anderen sechs Auszeichnungen wurden an weniger entwickelte Fusionskonzepte vergeben, darunter an Xcimer Energy und Focused Energy, die IFE-Designs verfolgen. Zwei Auszeichnungen gingen an Stellarator-Konzepte, die Tokamaks ähneln, aber eine kompliziertere Geometrie verwenden. Eine weitere Auszeichnung ist die Finanzierung eines „Z-Pinch“-Systems und die letzte Auszeichnung unterstützt einen „Kompaktmagnetspiegel“-Ansatz.

„Durch die Finanzierung eines so vielfältigen Portfolios besteht unser oberstes Ziel darin, dass die stärksten Lösungen an die Spitze gelangen und uns dabei helfen, einen klaren Weg nach vorne zu finden, um amerikanische Haushalte und Unternehmen mit sauberer Fusionsenergie zu versorgen“, sagte Granholm bei der Bekanntgabe der Auszeichnungen.

Das DOE hat beantragt, seine jährliche Unterstützung für privat-öffentliche Fusionsvorhaben für das Geschäftsjahr 2024 auf 135 Millionen US-Dollar zu erhöhen, vor allem, um Unternehmen bei der Erreichung neuer technologischer und programmatischer Meilensteine ​​weiter zu unterstützen. Ungeachtet der Unterstützung des Kongresses für die Fusionsenergie ist es jedoch möglicherweise weniger wahrscheinlich, dass solche Erhöhungen eintreten, nachdem die jüngsten Verhandlungen über die Schuldenobergrenze dazu geführt haben, dass Republikaner und Demokraten sich darauf geeinigt haben, die diskretionären Ausgaben außerhalb der Verteidigung in den nächsten zwei Jahren im Wesentlichen unverändert zu lassen.

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