Hinter den Kulissen eines 200-Millionen-Dollar-Kernfusionsexperiments

Wie Wissenschaftler und Ingenieure Teile für ein Kernfusionsexperiment im Princeton Plasma Physics Laboratory in New Jersey herstellen.

Der leitende Maschinist Joe Diamond arbeitet an den Edelstahl-Übergangsplatten, die im Vakuumbehälter und auf der Mittelkonsole installiert werden. (Emma Lee/WHYY)

Diese Geschichte stammt von The Pulse, einem wöchentlichen Gesundheits- und Wissenschaftspodcast.

Finden Sie es auf Apple Podcasts, Spotify oder wo auch immer Sie Ihre Podcasts erhalten.

Der Maschinist Joe Diamond hat Teile für Autos, Züge und Atom-U-Boote hergestellt, aber er sagte, eine Edelstahlplatte gehöre zu den schwierigsten Dingen, die er jemals herstellen musste.

Er stellt seit mehr als 50 Jahren Maschinenteile her und arbeitet jetzt im Princeton Plasma Physics Laboratory. Das Labor führt Experimente zur Kernfusion durch, von der Wissenschaftler seit mehr als einem halben Jahrhundert träumen, sie als Energiequelle auf der Erde zu nutzen. Es ist das, was im Zentrum der Sonne passiert.

Ein Teil der Schwierigkeit besteht darin, die Ausrüstung zu entwerfen und zu bauen, um dies auf der Erde zu testen, sagte Stefan Gerhardt, einer der Physiker, die das Projekt leiteten.

„Es ist sehr einfach, etwas zu entwerfen, das niemand auf der Welt bauen kann“, sagte er. „Und so müssen all diese ausgefallenen Ideen über Physik und Konstruktionstechnik durch das begrenzt werden, was mit endlichem Geld und begrenzter Zeit, von echten Menschen, mit echten Werkzeugmaschinen erreicht werden kann. In meinem Unternehmen herrscht ständig Spannung bei der Bewertung … dieses Zusammenspiels.“ . Das macht es sowohl interessant als auch schwierig.“

Die Edelstahlplatte, die Joe Diamond herstellen muss, ist etwa 10 Zoll lang, einen halben Zoll dick und hat die Form eines Trapezes. Das Knifflige daran ist, dass die Platten konisch sind und nicht durchgehend die gleiche Dicke haben. Diamond muss ein Stück Edelstahl herausschneiden und das Metall an einem Ende vorsichtig abschneiden, damit es am Ende genau den richtigen Winkel hat.

Um sich dieses 200-Millionen-Dollar-Fusionsexperiment vorzustellen, stellen Sie sich einen 15 Fuß hohen Apfel aus Metall vor. Wenn die Maschine eingeschaltet wird, enthält der Kern des Apfels ein Gas, das so heiß ist, dass es der Temperatur im Zentrum der Sonne entspricht, nämlich über 10 Millionen Grad Celsius. Dadurch gelangt das Gas in einen völlig anderen Aggregatzustand, den man Plasma nennt. Die Sonne nutzt die Schwerkraft, um das ultraheiße Plasma zu halten.

Abonnieren Sie The Pulse

Geschichten über die Menschen und Orte, die im Mittelpunkt von Gesundheit und Wissenschaft stehen.

Im Experiment ist der Kern des Apfels dem Plasma zugewandt und mit flachen Kohlenstoffkacheln ausgekleidet. Diese Fliesen können die Wärme aufnehmen und sicher nach draußen transportieren.

Das Problem besteht jedoch darin, dass das Labor keinen Metallapfel herstellen kann, bei dem diese flachen Fliesen die Oberfläche des Apfelkerns perfekt bedecken. Um dieses Problem zu beheben, haben Wissenschaftler die Edelstahlplatten so konstruiert, dass sie irgendwo zwischen dem Kern des Apfels und der Außenschale liegen und dabei helfen, die Kohlenstoffkacheln auszurichten, die nicht mehr als 0,01 Zoll voneinander entfernt sein dürfen.

Denn wenn die Kohlenstoffkacheln nicht richtig ausgerichtet sind, könnten sie zu heiß werden, Teile davon könnten ins Plasma fallen und das Experiment wird nicht so heiß, wie es die Wissenschaftler brauchen.

Die Herstellung eines Stapels von vielleicht zehn dieser Edelstahlplatten dauerte fast ein Jahr, und die Wissenschaftler haben einige Änderungen vorgenommen, sodass es noch länger dauern wird.

Die möglichen Konsequenzen, wenn etwas falsch gemacht wird, können schwerwiegend sein. Im Jahr 2016 hatte das Labor gerade ein vierjähriges Modernisierungsprogramm abgeschlossen, doch dann versagte einer der Magnete, mit denen das ultraheiße Plasma gehalten wurde. Das Gerät war monatelang stillgelegt. Der damalige Laborleiter trat nach achtjähriger Karriere zurück. Ein Science-Artikel nannte es einen schweren Schlag gegen das Labor.

Der Physiker Stefan Gerhardt sagte, sie hätten daran gearbeitet, sicherzustellen, dass ein solcher Fehler nicht noch einmal passiert, und sie hätten ihre ohnehin schon hohen Standards für Teile erhöht.

Er sagte zum Beispiel, als das Labor Unternehmen aufforderte, mehr dieser Magnete herzustellen, testete das Labor die Magnete, indem es sie zerschnitt, um sie auf versteckte Fehler zu prüfen, was noch nie zuvor bei Prototypen von Magneten durchgeführt worden war. Das Labor forderte die Unternehmen, die die Magnete herstellen, außerdem auf, dafür zu sorgen, dass sie über einen Reinraum verfügen, der frei von Staub oder anderen Metallarbeiten ist, die die hergestellten Magnete verunreinigen könnten.

„Sie möchten sicherstellen, dass alle Arbeiter, wenn sie das berühren, Handschuhe tragen, damit das Öl ihrer Hände nicht eindringt. Sie möchten sicherstellen, dass niemand hierher kommt und mit einem Bleistift oder Ähnlichem markiert.“ Sharpie.

Einige der Magnete wurden von einem Unternehmen in Frankreich hergestellt. Um sicherzustellen, dass das Unternehmen die Vorgaben des Labors einhält, schickte das Labor in Princeton im Jahr 2020 Leute nach Frankreich, um bei der Herstellung der Magnete zuzusehen. Als die COVID-19-Pandemie begann, bemühte sich das Labor darum, diese Menschen in die USA zurückzubringen

Das Labor beschafft immer noch neue Teile und baut sie in die Maschine ein, um sicherzustellen, dass alles passt.

„Das sind … komplexe Baugruppen. Es ist eine sehr große Schweizer Uhr, von der wir uns manchmal gerne erzählen“, sagte Gerhardt.

Und es erfordert Menschen, die wissen, wie man diese fein abgestimmte Schweizer Uhr mit Hunderten von Maschinisten, Ingenieuren und Wissenschaftlern koordiniert, die alle an diesem einen Experiment arbeiten, das potenzielle Gefahren in Bezug auf Strahlung, Elektrizität und mechanische Probleme birgt. Gerhardt sagte beispielsweise, einer der Projektmanager im Team habe früher ein Kernkraftwerk geleitet.

„Es gibt viele Systeme, die gleichzeitig funktionieren müssen“, sagte Gerhardt. „Und so … sobald es gebaut ist, liegt ein großer Fokus darauf … Qualität und Sicherheit in den Betrieb zu bringen und sicherzustellen, dass diese komplexen Systeme jeden Tag zusammenarbeiten, wenn die wissenschaftlichen Nutzer anwesend sind und etwas Wissenschaft leisten wollen.“

Derzeit besteht das Ziel darin, die Maschine in ein paar Jahren betriebsbereit zu haben. Wissenschaftler können damit dann Experimente durchführen und herausfinden, wie sie das ultraheiße Plasma steuern und damit arbeiten können, um damit vielleicht eines Tages riesige Mengen Strom zu erzeugen. In der Zwischenzeit entwerfen, montieren und optimieren sie alle Komponenten Stück für Stück.

WHYY ist Ihre Quelle für faktenbasierten, fundierten Journalismus und Informationen. Als gemeinnützige Organisation sind wir auf die finanzielle Unterstützung von Lesern wie Ihnen angewiesen. Bitte geben Sie noch heute.

Begeben Sie sich jede Woche mit der preisgekrönten Moderatorin Maiken Scott auf ein Abenteuer in unerwartete Ecken der Gesundheits- und Wissenschaftswelt.

8:58

Warum der „Nettoenergiegewinn“ durch die Kernfusion eher ein Hype als ein Durchbruch ist

Was bedeutet dieser „Durchbruch“ eigentlich und warum wird er von manchen als „Betrug“ bezeichnet?

vor 6 Monaten

Die Vermessung von Windparks beginnt vor der Küste von New Jersey

Die Vermessung vor der Küste der Grafschaften Atlantic und Cape May ist die erste Phase des „Ocean Wind Project“, das 15 Meilen östlich von Atlantic City liegt.

vor 4 Jahren

Mutter eines ermordeten Mannes aus New Jersey macht Computerprogramm für seine Schießerei verantwortlich

In New Jersey gibt es einen Kautionsalgorithmus, der empfiehlt, ob Sie bis zu Ihrem Prozess hinter Gittern sitzen oder frei herumlaufen. Das staatliche Gerichtssystem hat kürzlich die Kaution in bar aufgegeben.

vor 5 Jahren