Weiterer Schritt auf dem Weg zur Fusion

  • 12. February 2014

Laserbefeuerte Trägheitsfusion erzielt erstmals Energiegewinn im Brennstoff.

Die Energieerzeugung mittels Kernfusion ist eine heiß begehrte Anwendung der Plasmaphysik. Sie verspricht nicht nur inhärent sichere Kraftwerke, die keine klimaschädlichen Treibhausgase ausstoßen. Sie benötigt darüber hinaus lediglich geringe Mengen eines Brennstoffs, der zudem in praktisch unbegrenzter Menge vorhanden ist. Die radioaktiven Rückstände der Kernfusion sind desweiteren vor allem aktivierte Materialien, die wesentlich unproblematischer zu handhaben sind als der in Kernkraftwerken anfallende Atommüll. Der Weg zu Fusionskraftwerken hat sich jedoch in den letzten Jahrzehnten als steinig erwiesen: Jeder theoretisch vorhergesagte Fortschritt ist in der Durchführung sehr viel schwieriger geworden als geplant und hat dabei neue Probleme aufgeworfen. Das Sonnenfeuer auf die Erde zu holen, hat sich bislang als harte Grundlagenforschung erwiesen.

Abb.: Seitenansicht des Zylinders: Durch das Loch ist das vergoldete Innere des Hohlraums zu sehen. (Bild: E. Dewald, LLNL)

Abb.: Seitenansicht des Zylinders: Durch das Loch ist das vergoldete Innere des Hohlraums zu sehen. (Bild: E. Dewald, LLNL)

Wissenschaftlern der National Ignition Facility am kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory ist nun ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur kontrollierten Kernfusion geglückt. Sie konnten erstmals eine Brennstoffkapsel bei hoher Dichte und Temperatur so symmetrisch komprimieren, dass der Brennstoff selbst mehr Energie abgab, als er vorher aufgenommen hatte. Damit sind die Wissenschaftler zwar noch nicht bei einer wirklichen Zündung des Brennstoffs angelangt, haben aber eine wichtige Wegmarke dorthin passiert. Bei insgesamt vier von mehreren Dutzend Schüssen konnten sie einen Energiegewinn im Brennstoff nachweisen.

Als Zündung bezeichnet man den Punkt beim Aufheizen eines Plasmas, an dem eine selbsttragende Kernfusion einsetzt. Dann pflanzt sich dieser Prozess durch den Brennstoff fort und erzeugt sehr viel mehr Energie, als ursprünglich in die Reaktion hineingesteckt wurde. Bislang ist dies nur in unkontrollierter Weise gelungen – in thermonuklearen Waffen, die zur Zündung eine Kernspaltungs-Atombombe benötigen.

Abb.: Halterung und tiefgekühlter Zielzylinder: 192 hochenergetische Laserstrahlen verdampfen den Zylinder und komprimieren dabei die Probe im Innern. (Bild: E. Dewald, LLNL)

Abb.: Halterung und tiefgekühlter Zielzylinder: 192 hochenergetische Laserstrahlen verdampfen den Zylinder und komprimieren dabei die Probe im Innern. (Bild: E. Dewald, LLNL)

Neben der sogenannten Trägheitsfusion, wie sie mit Hilfe großer Laseranlagen betrieben wird, gibt es den Ansatz, magnetisch eingeschlossene Plasmen fusionieren zu lassen. Bei solchen Apparaten, wie den im Bau befindlichen Reaktoren ITER und Wendelstein 7-X, ist der Druck sehr viel geringer, dafür ist die Einschlusszeit größer. Um eine Zündung des Plasmas zu erreichen, muss das sogenannte Lawson-Kriterium erfüllt sein. Abhängig vom zu verschmelzenden Material und den erzielten Temperaturen muss dafür das Produkt aus Dichte und Einschlusszeit eine bestimmte Grenze überschreiten. Wegen der extrem kurzen Zeiten, die bei der Trägheitsfusion zur Verfügung stehen, ist für die Zündung ein extrem verdichter Brennstoff nötig.

Das Experiment nutzt deshalb die weltweit stärkste Laseranlage, deren Strahlen auf einen winzigen Hohlraum fallen. Insgesamt 192 Hochleistungslaser, deren Technik mehrere Turnhallen füllen würde, bringen ihre Gesamtleistung von rund einem Terawatt auf einen zylindrischen Probenhalter, der am oberen und unteren Ende je einen Einlass für die Laserstrahlen besitzt. Im Innern ist er mit Gold ausgekleidet und nur etwa einen Zentimeter lang, bei einem halben Zentimeter Durchmesser. In seiner Mitte befindet sich eine Kapsel mit dem anfangs tiefgekühlten Brennstoff, der aus den gut fusionierenden Wasserstoff-Isotopen Deuterium und Tritium besteht.

Abb.: Schema des mit Gold ausgekleideten Hohlraum-Zylinder, in dessen Mitte sich die Brennstoff-Kapsel befindet. (Bild: O. A. Hurricane et al.)

Abb.: Schema des mit Gold ausgekleideten Hohlraum-Zylinder, in dessen Mitte sich die Brennstoff-Kapsel befindet. (Bild: O. A. Hurricane et al.)

Die Laserpulse pumpen in weniger als 0,02 Mikrosekunden rund 1,9 Megajoule an Energie in diesen Hohlraum. Dies führt dort zu einem heißen Strahlenbad aus beinahe Planckscher Röntgenstrahlung. Ein Teil der Röntgenstrahlen wird von den Wänden der Kapsel absorbiert und verwandelt sie in ein Plasma. Dabei entsteht eine Serie von Schockwellen, die das Kapselinnere mit über 350 Kilometern pro Sekunde implodieren lassen und den Brennstoff auf ein Hunderttausendstel seines ursprünglichen Volumens verdichten. Im Innern entstehen dabei Temperaturen von zwanzig bis vierzig Millionen Kelvin und eine Dichte bis zu hundert Gramm pro Kubikzentimeter. Diese ist fünffach höher als die von Uran, höher als im Zentrum der Sonne und die mit Abstand höchste, die je in einem Labor erreicht wurde.

Mit dieser Apparatur eine Zündung zu erzielen, hat sich jedoch als vertrackt erwiesen, weil die Brennstoffkapsel in früheren Versuchen entgegen aller Simulationen sich nicht sphärisch komprimieren ließ. Die Wissenschaftler wählten deshalb bei dieser Testreihe einen neuen Weg, der gleich zu Beginn des Laserpulses sehr hohe Energien vorsah, anstatt sie über das kurze Zeitfenster ansteigen zu lassen. Dadurch konnten sie die Energieausbeute im Brennstoff um eine Größenordnung steigern. Die weiteren Schritte bis zur Zündung könnten sich nach Ansicht anderer Experten auf diesem Weg aber als schwierig erweisen. Der aktuelle Versuchsaufbau erreicht aber immerhin rund fünfzig Prozent des Lawson-Kriteriums.

Von einem Gesamt-Netto-Energiegewinn ist der Aufbau jedoch noch weit entfernt: Nur rund ein Hundertstel der eingesetzten Laserenergie landet schließlich im Brennstoff. Der Rest geht entweder bei der Verdampfung des Probe oder über die Röntgenstrahlung verloren. Die meisten Plasmaphysiker setzen ihre Hoffnungen deshalb auf magnetisch eingeschlossene Fusionsplasmen. Die Forschung an der Trägheitsfusion dient zu einem guten Teil aber auch nicht der Energieerzeugung, sondern der Grundlagenforschung sowie militärischen Zwecken. Das amerikanische Verteidigungsministerium fördert viele dieser Projekte im Rahmen des Stockpile-Stewardship-Programms. Dieses soll die Langlebigkeit und Einsatzbereitschaft des Nuklearwaffenarsenals auch ohne durch internationale Verträge verbotene Atombombentests sicherstellen.

Dirk Eidemüller

PH

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