Technologie

Sehnsucht nach sauberer Energie bald erfüllt?

16.12.2022 - NIF feiert mit Trägheitsfusion erzielten Energieüberschuss.

Die Notwendigkeit, klima­neutrale Energie­quellen möglichst rasch zu er­schließen, lassen die meisten auch jenseits eines Faibles für Forschung besonders aufmerksam auf eine vor drei Tagen in Washington abgehaltene Presse­konferenz blicken. Dort gaben das US-Energie­ministerium (DOE) und die Nationale Behörde für nukleare Sicher­heit (NNSA) des DOE nämlich das erst­malige Zünden einer Fusions­reaktion mit Über­schreitung des energe­tischen Break-Even-Points am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) bekannt. US-Energieministerin Jennifer M. Granholm verkündetet diesen „Meilenstein für die Forscher und Mitarbeiter der National Ignition Facility, die ihre Laufbahn der Verwirk­lichung der Fusions­zündung gewidmet haben“, und erwartet, dass der Erfolg weitere Entdeckungen nach sich ziehen wird. Ent­spre­chende Förder­­programme für die Inertial Confinement Fusion (ICF) im Wert von 624 Millionen Dollar sind bereits bewilligt, und manch einer sieht sich durch diesen „erstaun­lichen wissen­schaftliche Fort­schritt an den Rand einer Zukunft gebracht, die nicht mehr auf fossile Brenn­stoffe angewiesen ist, sondern durch neue, saubere Fusions­energie angetrieben wird“, wie es der Mehrheits­führer im US-Senat, Charles Schumer, aus­drückte.

Am 5. Dezember führte ein Team an der National Ignition Facility (NIF) des LLNL ein Experiment zur Trägheits­fusion durch, mit dem – laut eigenen Aussagen – erstmals mehr Energie aus der Fusion gewonnen als Laserenergie hineingesteckt wurde: Mit der Abgabe von 2,05 Megajoule Energie an das Target wurde die Fusions­schwelle überschritten und eine Fusions­energie von 3,15 Megajoule frei­gesetzt.  

Seit den 1960er Jahren setzt das LLNL auf Laser, um leichte Atom­kerne unter Energie­abgabe zum Verschmelzen zu bringen und die aus der Sonne bekannten Fusions­prozesse auch in einer Labor­um­gebung ablaufen zu lassen. Zur Verfolgung des als Trägheitsfusion bekannt gewordenen Konzepts baute das LLNL eine Reihe von immer leistungs­fähigeren Laser­systemen, die schließlich zum NIF führten, dem größten und energie­reichsten Lasersystem der Welt. Die im LLNL in Livermore, Kalifornien, gelegene Einrichtung hat die Größe eines Sportstadions und nutzt leistungsstarke Laserstrahlen, um in einer evakuierten Targetkammer Temperaturen und Drücke zu erzeugen, wie sie im Innern von Sternen herrschen.

Dazu wird durch Wechselwirkung von eingestrahltem ultraviolettem Laserlicht und den aus Gold bestehenden Innenwänden eines etwa einen Zentimeter großen Zylinders Röntgenstrahlung erzeugt. Diese breitet sich gleichförmig im Hohlraum aus und erhitzt die darin freischwebende kugelförmige Brenn­stoff­kapsel (Pellet) bis sie implodiert und durch extreme Verdichtung und Temperatur­erhöhung der Fusionsprozess der in ihr enthaltenen Wasserstoff­isotope Deuterium und Tritium in Gang gesetzt wird. Die dabei entstehenden Helium­kerne geben Energie an das Plasma ab und erhalten so den Fusions­vorgang aufrecht, bis dieser nach wenigen Bruch­teilen einer Sekunde durch die temperatur­­bedingte Aus­dehnung des Plasmas zum Erlöschen kommt.

Nachdem die prinzipielle Mach­barkeit der Trägheits­fusion bereits früher gezeigt wurde, hat das jüngste Experiment der NIF nun einen Energie­überschuss erzielt, sodass eine Nutz­barkeit der Technologie nicht undenkbar erscheint.

Bei aller Freude über das Ergebnis gibt die NIF an, dass noch viele weiter­­gehende wissen­­schaftliche und techno­logische Entwick­­lungen erfor­derlich seien, um eine einfache, er­schwing­liche Energie aus Trägheits­­fusion für die Strom­­versorgung von Haus­halten und Unter­nehmen zu erreichen.

Diese skeptische Zuversicht teilen Wissen­schaftler anderer Einrichtungen, wie beispielsweise Prof. Dr. Sybille Günter, die wissen­­schaftliche Direktorin des Max-Planck-Instituts für Plasma­physik (IPP) in Garching, die das Ergebnis mit einem Hinweis auf die Nicht-Ein­beziehung der Laser­­effizienz in die Energie­bilanz etwas relativiert und auf die Frage, wie nah die Fusion nun als nutz­bare Energie­­quelle sei, antwortete: „Bei der Laser­fusion geht es zunächst mal um die ‚Zündung‘ eines Pellets. Das ist schwierig, weil die Situation, dass Laser auf eine schwere Schale schießen, in der sich leichterer Wasser­stoff befindet, instabil ist. Daher muss man das Pellet möglichst homogen bestrahlen, was bei direkter Bestrahlung mit Lasern schwierig ist. Deshalb verwendet man bei NIF einen sogenannten Hohlraum, in dem die Laser erst auf eine Wand schießen und dort Röntgen­strahlung erzeugen, die sehr homogen ist. Für ein Kraftwerk ist das vermutlich zu ineffizient, dort muss man direkt bestrahlen. Außerdem müsste man in einem Kraftwerk so ein Pellet mindestens zehnmal pro Sekunde zünden. Diese und viele andere techno­logische Frage­­stellungen müssen noch geklärt werden, bevor man an den Bau eines Kraftwerks denken kann.“

Dennoch freut sich Sybille Günter über das gelungene Experiment: „Das sind tolle Ergebnisse, zu denen wir den Kollegen des Labors der National Ignition Facilitiy gern gratulieren“, so Günter. „In solchen Experimenten kann man insbesondere studieren, wie sich ein Pellet verhält, wenn es nicht nur mit Lasern geheizt wird, sondern auch mit bei der Fusion freigesetzten Helium-Kernen (alpha-Teilchen). Das ist ganz spannende Plasma­physik.“

LLNL / LK

Werkzeuge für die multiphysikalische Optiksimulation

Im Web Seminar erhalten Sie einen Überblick über die Möglichkeiten, die multiphysikalische Optiksimulation bietet und eine Einführung in die praktische Umsetzung eines strahlenoptischen Simulationsprojekts.

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Welding with Civan's Ultrafast CBC-Laser: Basics, Opportunities and Challenges

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