29.01.2010

Kernfusion mit Lasern

Bei über drei Millionen Grad soll ein amerikanisches Experiment das Sonnenfeuer auf Erden entfachen - testweise.

Bei über drei Millionen Grad soll ein amerikanisches Experiment das Sonnenfeuer auf Erden entfachen - testweise.

Mindestens noch 50 Jahre: Diese Prognose für die wirtschaftliche Energiegewinnung mit Kernfusion scheint seit Jahrzehnten konstant zu sein. Doch nicht nur mit dem europäischen ITER-Reaktor, sondern auch mit der laserinduzierten Kernfusion könnte dieses Ziel tatsächlich näher rücken. Nach jahrelanger Bauzeit und aufwendigen Testläufen tritt nun das amerikanische Laserfusionsexperiment an der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) dieses Jahr in die nächste wichtige Phase.

Mit der Energie von 192 auf einen Punkt fokussierten Laserstrahlen wollen die Physiker den Weg zur Kernfusion ebnen und damit eine schier unerschöpfliche Energiequelle erschließen. Bei Temperaturen von über drei Millionen Grad sollen leichte Atomkerne zu schwereren verschmelzen und dabei mehr Energie freisetzen als zur Zündung der Kernfusion vorher nötig gewesen war. Nun konnten entscheidende Testläufe des 3,5 Milliarden Dollar teuren Laserfusionsexperiments erfolgreich durchgeführt werden.

Abb. 1: Der Hohlzylinder aus Gold, in dessen Mitte die Brennstoffkapsel eingesetzt wird, ist ungefähr so groß wie der Radiergummi an einem Bleistift. (Credit is given to Lawrence Livermore National Security, LLC, Lawrence Livermore National Laboratory, and the Department of Energy under whose auspices this work was performed.)

 

„Es funktioniert bisher besser als jeder erwartet hätte“, sagt NIF-Forscher Siegfried Glenzer. Mehrere Jahre bereiteten die Mitarbeiter des LLNL zusammen mit vielen Kollegen anderer Institute das gigantische Fusionsexperiment vor. In einem zehn Stockwerke hohen Gebäude, das sich über eine Fläche von drei Fußballfeldern erstreckt, werden die 192 Laserstrahlen über aufwendige Optiken auf einen nur wenige Millimeter großen Hohlzylinder aus Gold gelenkt. An diesem Punkt konzentriert sich die Energie von bis zu 1,8 Megajoule. Bei einer Temperatur von 3,3 Millionen Grad verdampft das Gold und es entsteht in einer Implosion ein Plasma aus geladenen Teilchen und Röntgenstrahlung. Diese Bedingungen sollen ausreichen, um Wasserstoffkerne zu schwereren Heliumkernen zu verschmelzen.

Die notwendige Kompression durch die laserinduzierte Implusion eines Testzylinders konnten die amerikanischen Fusionsforscher schon bei weniger als der Hälfte der maximalen Laserenergie erreichen. Extrapoliert auf die volle Laserleistung könne dann ein Druck von über 100 Milliarden Atmosphären erzeugt werden. Bei diesen extremen Bedingungen rechnen die Wissenschaftler mit einer ersten erfolgreichen Kernfusion. Allerdings arbeitet die Laserfusion mit gepulsten Laserblitzen. Für eine Energiegewinnung müsste der Prozess mit einer Frequenz von 10 Hertz wiederholt werden. An dieses Ziel könne man sich in späteren Versuchen herantasten. Optimistisch bleiben sie dennoch, da die Testläufe in etwa so abliefen, wie theoretische Modelle vorhergesagt hatten.


Abb. 2: Künstlerische Darstellung des Targets im Inneren des Goldzylinders. Laserstrahlen treten durch die beiden Enden des Zylinders ein und heizen das Target soweit auf, bis es zur Fusion kommt. (Credit is given to Lawrence Livermore National Security, LLC, Lawrence Livermore National Laboratory, and the Department of Energy under whose auspices this work was performed.)

Bisher liefen alle Versuche ohne den eigentlichen Brennstoff für die Kernfusion ab. Die schweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium könnten aber schon im Laufe dieses Jahres in einer Pfefferkorn großen Kapsel aus Beryllium inmitten des Hohlzylinders aus Gold deponiert werden. Dann könnte es gelingen, ein kurzes Fusionsfeuer zu entfachen, das auch ohne die Aufheizung durch die Laserstrahlen weiter brennt. Voraussichtlich im Juni 2010 fällt die Entscheidung, wann das Laserfusionsexperiment in diese nächste, entscheidende Phase eintreten wird.

Ob es tatsächlich klappt, eine Kernfusion zu zünden, können die Wissenschaftler allerdings noch nicht sagen. Offen sei noch die Frage, ob die Implosion symmetrisch genug ablaufe, sagt der britischen Fusionsforscher Mike Dunne von der Central Laser Facility of Rutherford Appleton in der Nähe von Oxford. Sollte es jedoch gelingen, wird das amerikanische Fusionsexperiment in den Wettlauf mit dem europäischen Fusionsreaktor ITER treten, der derzeit in Cadarache in Südfrankreich aufgebaut wird. Die ITER-Forscher setzen im Unterschied zu ihren amerikanischen Kollegen nicht auf eine Laserzündung, sondern auf ein Millionen Grad heißes Plasma, dass in einem extrem starken Magnetfeld eingeschlossen werden soll. Über den Ausgang dieses Wettrennens bis zum ersten kommerziell nutzbaren Fusionsreaktor kann heute nur spekuliert werden. Doch die meisten Experten gehen davon aus, dass es immer noch einige Jahrzehnte bis zur wirtschaftlichen Stromerzeugung mit Kernfusion dauern wird.

Jan Oliver Löfken


Weitere Infos

Weiterführende Literatur:

  • D. Clery: Science 324, 326 (2009)
  • R. L. McCrory et al.: Phys. Plasmas 5, 055503 (2008)
  • S. Atzeni, J. Meyer-ter-Vehn: The Physics of Inertial Fusion. Oxford Univ. Press, New York, 2004

 AL

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