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Kernfusion mit dem Pinch-Effekt

Läßt sich mit intensiven Röntgenstrahl-Pulsen von wenigen milliardstel Sekunden Dauer eine kontrollierte Kernverschmelzung zünden? Die Aussichten dafür haben sich in den letzten Jahren dramatisch verbessert.


Manches ändert sich nie – oder etwa doch? Im Jahre 1979, nach 30 Jahren Fusionsforschung, war eine Plasmazündung immer noch nur in einer Wasserstoffbombe gelungen. Das Ziel, die Energiequelle der Sonne in einem irdischen Reaktor kontrolliert zum Sprudeln zu bringen, schien kaum näher gerückt. Dennoch prophezeite ich damals in dieser Zeitschrift, daß die prinzipielle Machbarkeit eines sich selbst unterhaltenden Kernverschmelzungsprozesses im Labor innerhalb von zehn Jahren nachgewiesen würde und man danach zur Entwicklung von Fusionskraftwerken schreiten könne (Spektrum der Wissenschaft, Januar 1979, Seite 60). Die Triebfeder der Fusionsforschung war und ist das Wissen, daß ein Fingerhut voll flüssigen schweren Wasserstoffs genausoviel Energie zu liefern vermag wie 20 Tonnen Kohle.

Inzwischen mühen sich Wissenschaftler schon ein halbes Jahrhundert um das, was man als Gral der Energieforschung bezeichnen könnte. Doch nach wie vor erklären die Experten, daß wir von der Zündung noch rund zehn Jahre entfernt seien. Die Energiekrise der siebziger Jahre ist lange vergessen und die Geduld derer, die immer größere und teurere Forschungsreaktoren finanzieren sollen, gelinde gesagt, strapaziert. Vor nicht einmal drei Jahren wollte ich die Arbeit an den Sandia-Nationallaboratorien in Albuquerque (New Mexico) aufgeben. Wir waren immer noch um den Faktor 50 von dem zur Fusionszündung benötigten Produkt aus Dichte, Temperatur und Einschlußzeit des Plasmas entfernt.

Doch inzwischen habe ich neue Hoffnung geschöpft, daß sich das Sonnenfeuer doch noch innerhalb der nächsten zehn Jahre im Labor entfachen läßt. Der Grund ist ein neues Gerät, die sogenannte Z-Machine, die äußerst intensive Röntgenpulse abfeuern kann (Bild 1).

Die Wasserstoffbombe liefert den Beweis, daß die Kernfusion möglich ist. Hier dient eine explosive Kernspaltungsreaktion als Zünder (Bild 2 links). Die dabei ausgesandte Strahlung heizt Wasserstoff in einem Behälter im Innern der Bombe auf und verdichtet ihn, bis das Gas zu fusionieren beginnt.

Das hört sich einfacher an, als es ist. Eine Fusion läßt sich nur in Gang bringen und unterhalten, wenn man die Kerne zweier verschiedener Wasserstoffarten – Deuterium und Tritium – so dicht zusammenbringt, daß sie zu einem Heliumkern verschmelzen, wobei ein Neutron sowie enorme Energiemengen freigesetzt werden. Dazu muß man den Wasserstoff nicht nur extrem stark, sondern auch äußerst gleichmäßig komprimieren.

In den ersten Jahrzehnten der Fusionsforschung schien es abwegig, gleichsam eine gezähmte Wasserstoffbombe im Labormaßstab schaffen zu wollen. Deshalb verfolgte man das Konzept des magnetischen Einschlusses. Wie der Name sagt, wird dabei ein genügend dichtes und heißes Plasma aus einem Deuterium-Tritium-Gemisch so lange in einem starken Magnetfeld eingeschlossen, daß es zur Verschmelzung der Kerne kommt. (In einem Plasma haben die Atome alle Elektronen abgegeben und sind deshalb elektrisch geladen.) Auf diesem Wege wurde 1991 zunächst im Joint European Torus (JET) in Culham bei Oxford (England) und später auch im Tokamak-Fusionstestreaktor (TFTR) der Universität Princeton (New Jersey) eine Deuterium-Tritium-Fusion erzielt; dabei mußte allerdings zur Zündung insgesamt noch weitaus mehr Energie aufgewendet werden, als bei der Kernverschmelzung entstand. Der nächste Schritt auf diesem Weg ist der Internationale Thermonukleare Testreaktor (ITER), ein Gemeinschaftsprojekt der USA, Europas, Japans und Rußlands (Spektrum der Wissenschaft, Juni 1992, Seite 62). Die voraussichtlichen Kosten, die zu bewältigen-den technischen Probleme sowie die Uneinigkeit über den Standort haben jedoch bereits die Entwurfsphase verzögert.

Anfang der siebziger Jahre wandten sich Forscher am Los-Alamos-Nationallaboratorium in Neu-Mexiko, am Lawrence-Livermore-Nationallaboratorium in Kalifornien und bei Sandia einem neuen Ansatz zur Kernfusion zu: dem auch bei der Wasserstoffbombe genutzten Trägheitseinschluß. Dabei wird ein Brennstoffkügelchen (englisch pellet) mittels Strahlung verdichtet. Während diese bei der Wasserstoffbombe von der Explosion einer Atombombe stammt, griff man für die ersten Laborversuche auf intensive Laser- oder Elektronenstrahlen zurück.

Der damals vermutete Wert für die Zündenergie war allerdings viel zu niedrig; im Laufe der Jahre mußte er immer wieder nach oben korrigiert werden. Als seinerzeit mein Artikel in Spektrum der Wissenschaft erschien, schätzte man ihn auf eine Million Joule. Diese Energie müßte, wie man glaubte, innerhalb von zehn Nanosekunden (milliardstel Sekunden) auf die Oberfläche eines Kügelchens von der Größe eines Pfefferkorns übertragen werden. Die dazu erforderliche Leistung von 100 Terawatt (Billionen Watt) entspricht der Anforderung, die Menge an elektrischer Energie, die ein halbes Dutzend Haushalte in mehreren Stunden verbrauchen, innerhalb weniger Sekundenbruchteile zur Verfügung zu stellen.

Wie wäre ein derart gigantischer Energiebedarf zu decken? Wir bei Sandia sowie Wissenschaftler in der ehemaligen Sowjetunion setzten auf ein neues Verfahren: die Pulsed-Power-Technik, die sich als Impulsleistungs- oder Stoßstromtechnik übersetzen ließe.

Dabei werden Kondensatoren, in denen elektrische Energie gespeichert ist, plötzlich entladen. Zur Erhöhung der Leistungsdichte verkürzt man die Stromstöße zusätzlich. Anschließend wandelt man sie in intensive Pulse geladener Teilchen oder Strahlung um. Herkömmliche Laserfusionssysteme starten dagegen mit viel längeren elektrischen Pulsen, die innerhalb des Lasersystems selbst verstärkt und geformt werden. Impulsleistungssysteme sind wegen ihrer Effizienz und niedrigen Kosten eine attraktive Alternative.

Die Technik wurde 1964 bei der britischen Atomenergiebehörde erfunden und anschließend in der Sowjetunion, in Großbritannien und in den USA weiterentwickelt – mit Unterstützung der jeweiligen Energie- und Verteidigungsministerien. Die Leistungsabgabe war jedoch begrenzt, weshalb sich das Potential des Verfahrens für die Kernfusion schlecht abschätzen ließ. Es diente deshalb in erster Linie dazu, in Laborsimulationen die Wirkung von Strahlen auf Waffenbestandteile abzuschätzen.

Im Jahre 1973 wurden bei Sandia unter meiner Leitung und am sowjetischen Kurtschatow-Institut unter Leonid Rudakow fundierte Programme zur Erforschung der Kernfusion nach dem Trägheitseinschlußverfahren aufgenommen. Seit damals haben wir sehr viel darüber gelernt, wie man sowohl bei Laser- als auch bei Impulsleistungssystemen die gewaltige Zündenergie am besten aufbringt. Jahrzehnte sorgfältig ausgewerteter Experimente mit äußerst leistungsfähigen Lasern haben die Daten für Computermodelle geliefert, mit denen sich die Zündbedingungen heute sehr genau und zuverlässig simulieren lassen. Danach benötigt man vier Nanosekunden lang fast 500 Terawatt Leistung und eine Strahlungsenergie von zwei Millionen Joule bei einer Temperatur von drei Millionen Grad.

Mit Lasern ist das durchaus zu schaffen. Nach 13 Jahren Forschung mit dem 30-Kilojoule-Laser NOVA baut das Lawrence-Livermore-Laboratorium nun ein noch viel leistungsfähigeres Exemplar als Kernstück der National Ignition Facility (NIF), deren Bau kürzlich begonnen wurde und bis 2003 abgeschlossen sein soll. Im Erfolgsfall wird bei der Fusion dann mindestens soviel Energie erzeugt, wie der Laser auf die Pellets übertragen hat. Doch selbst wenn ein Überschuß anfällt, reicht er nicht annähernd aus, auch den einige hundertmal so großen Energiebetrag zu decken, den der Betrieb des Lasers verschlingt. Für eine insgesamt positive Energiebilanz bedarf es sehr viel höherer Ausbeuten. Die NIF wird diesem Ziel sicher näher kommen; aber die heutige Lasertechnik ist einfach zu teuer, als daß sich damit ein wirtschaftlich arbeitender Fusionsreaktor realisieren ließe.

Bietet die Impulsleistungstechnik bessere Aussichten? Vor wenigen Jahren waren wir bei Sandia trotz 25jähriger Bemühungen noch weit davon entfernt, mit dieser Methode Fusionsenergie erzeugen zu können. Nur mühsam rangen wir uns zu einer Fortsetzung des Programms durch, aber unsere Beharrlichkeit wurde jüngst belohnt. So hat sich die Leistungsabgabe drastisch erhöht: Betrug sie Mitte der sechziger Jahre erst rund ein Gigawatt, erzielten wir kürzlich bei Versuchen mit der Z-Maschine einen mehr als fünf Zehnerpotenzen größeren Wert: 290 Terawatt. Wir sind überzeugt, daß Strahlungspulse von 1000 Terawatt für eine Kernfusion mit positiver Gesamtenergiebilanz ausreichen; fast ein Drittel dieses Betrags haben wir erreicht.

Ebenso grundlegende Fortschritte gab es bei der Bündelung der geballten Energieladung auf das winzige Pellet. Nachdem wir in den siebziger Jahren mit Elektronenstrahlen begonnen hatten, wechselten wir im nächsten Jahrzehnt zu Ionenstrahlen, weil sie es ermöglichen sollten, das Zielobjekt (Target) stärker aufzuheizen. Geladene Teilchen lassen sich aber nur schwer lenken und in einen kompakten Strahl bündeln. Für diesen Zweck sind Röntgenstrahlen prinzipiell viel besser geeignet: Sie können den Raum um einen Brennstoffbehälter gleichmäßig ausfüllen – ähnlich wie die Wärme den Braten im Backofen gleichmäßig umhüllt.



Rückbesinnung auf den Z-Pinch



Die Idee, mit Impulsleistungssystemen innerhalb einer kleinen Reaktionskammer intensive Röntgenblitze zu erzeugen, um damit Fusionsprozesse in Gang zu setzen, basiert auf einem Konzept, das nach dem englischen Wort für einschnüren als Z-Pinch bezeichnet wird. Es geht zurück auf die Anfänge der Arbeiten über Magneteinschlußverfahren in den fünfziger Jahren.

Damals glaubte man, eine Kernfusion zünden zu können, indem man einfach einen starken elektrischen Strom durch Deuterium leitete. Dieser ionisiert die Gasatome und erzeugt ein Magnetfeld, welches das Plasma zu einem sehr dünnen, heißen und hochverdichteten Zylinder entlang der – konventionell als z-Achse bezeichneten – Stromrichtung zusammenschnürt. Wie sich zeigte, läßt sich das Plasma mit dieser Methode jedoch nicht gleichmäßig komprimieren, da es wegen Instabilitäten quasi in separate Klumpen zerfällt. Beim Komprimieren des ionisierten Gases entsteht aber auch Röntgenstrahlung bis zu einer Energie von 1000 Elektronenvolt. Über drei Jahrzehnte lang konzentrierte sich die Forschung über den Pincheffekt in den USA, Großbritannien und der Sowjetunion darauf, die Ausbeute an diesen hochenergetischen Photonen zu maximieren, weil man mit ihnen untersuchen wollte, wie sich die ähnlich energiereiche Strahlung von Kernwaffen auf Werkstoffe und elektronische Geräte auswirkt.

Jüngst nun wurde der Z-Pinch als Methode zur Zündung der Trägheitsfusion wiederentdeckt. Als Strahlungsquelle besticht er durch Einfachheit und hohe Ausbeute. In Verbindung mit der Effizienz und den niedrigen Kosten der Impulsleistungtechnik sollte er, wie wir in den vergangenen drei Jahren zeigen konnten, eine Kernverschmelzung ermöglichen, die mehr Energie liefert, als zuvor investiert wurde.

Zum Zünden der Fusionsreaktion muß das Plasma in einem Hohlraum eingeschlossen werden, in dem die Röntgenstrahlen gefangen bleiben (Bild 2 rechts). In einem der von uns erprobten Systeme bringt man den Brennstoff in einem kleineren Sekundär-Hohlraum im Inneren der Strahlungsquelle unter. Bei einer anderen Versuchsanordnung befindet sich das Pellet dagegen in einem Kunststoffschaum niedriger Dichte im Zentrum des implodierenden Plasmas im Primär-Hohlraum. Wichtig ist nur, daß die erzeugte Röntgenstrahlung in dem Moment, in dem sich die Wolke aus ionisiertem Gas entlang der Stromrichtung oder auf dem Plastikschaum verdichtet, im Hohlraum festgehalten wird, damit sie das Pellet vollständig umhüllt und von allen Seiten gleichmäßig darauf einwirkt (Bild 5). In ähnlicher Weise sorgt bei der Wasserstoffbombe eine Ummantelung dafür, daß die Strahlung der Atomexplosion nicht entweichen kann. Die Experimente der letzten drei Jahre haben gezeigt, daß beide Versuchsanordnungen funktionieren sollten, weil wir mittlerweile einen gleichmäßigen Zylinder aus eingeschnürtem Plasma erzeugen können, der lange genug stabil bleibt, um seine Aufgabe zu erfüllen.



Die Ursachen des Durchbruchs



Was ist heute anders als während der langen Zeit, in der wir nur quälend langsam vorankamen? Thomas Alva Edison (1847 bis 1931) mußte Tausende von Materialien durchprobieren, bevor er hinter das Geheimnis der Glühbirne kam. Ebenso entdeckten wir erst durch einen mühsamen Prozeß von Versuch und Irrtum, daß man dem implodierenden Plasmazylinder die Energie in Form eines kurzen Röntgenpulses entziehen muß, bevor Instabilitäten seine Geometrie aufbrechen. Das Geheimnis ist also die Schnelligkeit.

Ein Beispiel aus dem Alltag mag veranschaulichen, wie es zu der stören-den Klumpenbildung beim Pinch-Effekt kommt: Man kann Essig noch so vorsichtig über weniger dichtes Salatöl gießen – trotzdem sinkt er nach kurzer Zeit in unregelmäßigen Tropfen durch das Öl auf den Boden des Gefäßes. Was beim Anrühren einer Salatsoße eher nützlich ist, war auf dem Weg zur Kernfusion ein hartnäckiges Hindernis, das sich nur schwer überwinden ließ. Aus Computersimulationen von Darrell Peterson in Los Alamos und Melissa Douglas bei Sandia wußte man schon lange, daß sich der Pinch um so gleichmäßiger und stabiler entlang der z-Achse bildet, je homogener das ursprüngliche Plasma war.

Zahlreiche Homogenisierungsverfahren wurden probiert – etwa dünne Metallzylinder oder Hohlmäntel aus Gas zur Führung des elektrischen Stroms. Keiner dieser Versuche hatte jedoch Erfolg. Der Durchbruch gelang erst 1995 bei Sandia mit Gittern aus extrem dünnen Drähten: Ihr Durchmesser beträgt lediglich ungefähr ein Zehntel eines durchschnittlichen menschlichen Haares. Auf die Grundidee war schon Ende der siebziger Jahre die Firma Physics International gekommen, die sich für intensive Röntgenquellen zur Untersuchung von Strahlungseffekten im Labor interessierte; sie versuchte auf diese Weise die Energie der Röntgenstrahlung von einem auf fünf Kiloelektronenvolt zu steigern. Die elektrische Leistung der damaligen Beschleuniger mit ihren geringeren Strömen genügte jedoch nicht, eine große Zahl kleiner Drähte verdampfen und die ionisierten Gasatome implodieren zu lassen. Erst vor drei Jahren erreichten bei Sandia zunächst Thomas W. L. Sanford mit feinen Aluminium- und dann Christopher Deeney sowie Rick B. Spielman mit bis zu 400 extrem dünnen Wolframdrähten ausreichend homogene Plasmen.

Daraufhin schlug ihr Kollege Barry M. Marder auf der Basis von Computersimulationen vor, die Drähte so dicht anzuordnen, daß sie miteinander verschmelzen, wenn der hindurchfließende Strom sie explosionsartig verdampfen läßt; dabei sollte eine nahezu gleichförmige, implodierende zylindrische Plasmahülle entstehen. Nachfolgende Versuche bei Sandia bestätigten die Erwartung: Bei der Implosion der Hülle entstand um eine Röhre aus Kunststoffschaum, die entlang der z-Achse angebracht war, der erforderliche heiße Plasmakern (Bild 3). Experimente an der Cornell-Universität deuten darauf hin, daß sich anfangs möglicherweise nicht alle Drähte vollständig in eine Plasmawolke auflösen, wie Marders Computersimulationen dies vermuten ließen. Möglicherweise bleibt ein kalter Drahtkern weiterhin leitfähig und verstärkt auf diese Weise den Pincheffekt.

Für die ersten erfolgreichen Versu-che verwendeten wir den 10-Millionen-Ampere-Beschleuniger Saturn. Seit Oktober 1996 steht uns nun die Z-Maschi-ne zur Verfügung: ein 20-Millionen-Ampere-Beschleuniger, der die weltweit stärksten und energiereichsten Röntgenpulse erzeugt (Bild 4). In einem typischen Experiment produzieren wir bei einer Leistung von 200 Terawatt einige Nanosekunden lang Röntgenstrahlung mit einer Energie von zwei Millionen Joule (Bild 1).

Im November 1997 begannen wir mit einer Serie von Experimenten, bei der wir zwei ineinandergeschachtelte Drahtgitter verwendeten. Dadurch vermochten wir die Röntgenleistung noch einmal um 45 Prozent auf 290 Terawatt zu steigern. Der Strom verdampft zunächst das Außengestell, und das von ihm erzeugte Magnetfeld läßt das verdampfte Material implodieren. Die schnelleren Teilchen treffen dabei auf das Innengestell und werden abgebremst, so daß die langsameren Ionen aufschließen können. Dadurch erfolgt die Implosion sehr gleichmäßig, und es kommt kaum zu Instabilitäten. Außerdem erzeugt das verdampfte Material bei der Kollision entlang der z-Achse einen kürzeren Röntgenpuls als bei einem Einzeldrahtgitter. Infolgedessen erreichten wir eine Strahlungstemperatur von 1,8 Millionen Grad.

In anderen Experimenten mit der Z-Maschine, die unter Leitung von Arthur Toor vom Lawrence-Livermore-Nationallaboratorium durchgeführt wurden, sorgten Schaumschichten um eine Berylliumröhre in einem einzelnen Drahtgitter für eine langsamere, symmetrischere Implosion der Plasmawolke und damit für eine noch höhere Hohlraumtemperatur.

Es hat 40 Jahre gedauert, um mit Hilfe des Pincheffekts 40 Terawatt an Röntgenleistung zu erzeugen. In nur drei Jahren gelang es nun, diesen Wert fast zu verzehnfachen; damit sind wir den mutmaßlichen Bedingungen für eine Kernfusion mit positiver Gesamtenergiebilanz ein gutes Stück nähergekommen: einer Hohlraumtemperatur von drei Millionen Grad bei einer eingespeisten Energie von 16 Millionen Joule und einer Röntgenleistung von 1000 Terawatt.

Unsere Überzeugung, daß die Impulsleistungsmethode effizienter und kostengünstiger sein sollte als das Laserverfahren, hat sich also bewahrheitet. Die mit der Z-Maschine erzielte Leistungsabgabe im Röntgenbereich entspricht immerhin 15 Prozent der aufgewendeten elektrischen Energie. Demgegenüber liegt die Energieausbeute des NOVA-Lasers am Lawrence-Livermore-Nationallaboratorium lediglich bei 0,1 Prozent. Durch Konstruktionsverbesserungen an der National Ignition Facility mag sich dieser Wert vielleicht auf 0,5 Prozent anheben lassen; prinzipiell jedoch verhindert der beschränkte Wirkungsgrad von Lasern eine positive Gesamtenergiebilanz.

Aber auch unabhängig von der Kernfusion gibt es für die intensiven Röntgenpulse vielerlei Anwendungen. Die mit der Z-Maschine erreichten Energien und Leistungen ermöglichen schon jetzt, bei Dichten und Temperaturen, die vorher nur mit unterirdischen Kernexplosionen erreicht werden konnten, im Labor Materialeigenschaften zu messen und den Strahlungstransport zu untersuchen. Diese Laborexperimente sind Teil des Stockpile Stewardship Program des US-Energieministeriums, mit dem die Sicherheit und Zuverlässigkeit von alternden Kernwaffen gewährleistet werden soll – für den Fall, daß sie doch noch einmal eingesetzt werden müßten.

Es gibt sogar astrophysikalische Anwendungen. Die von der Z-Maschine gespeiste Röntgenquelle erzeugt nämlich ein Plasma, das demjenigen in den äußersten Schichten eines Sterns ähnelt. Dadurch läßt sich anhand von Daten, die Paul T. Springer 1996 bei Experimen-ten mit dem Pincheffekt am Saturn-Beschleuniger des Lawrence-Livermore-Nationallaboratoriums gewonnen hat, das Strahlungsverhalten eines Typs pulsierender Sterne – der Delta-Cephei-Veränderlichen – nun besser verstehen. Wir erwarten, daß weitere Messungen auch andere astronomische Rätsel – etwa um Supernovae – einer Lösung näherbringen werden. Im Labor erzeugte Plasmen eröffnen außerdem neue Möglichkeiten für atomphysikalische Untersuchungen und die Konstruktion von Röntgenlasern.



Der fehlende Faktor Drei



Die Ausbeuten unseres verbesserten Z-Pinch sind nicht nur sehr hoch, sondern – anders als in den Jahrzehnten davor – auch reproduzierbar. Wiederholungen der Versuche ergeben stets dieselbe Röntgenenergie und -leistung, auch wenn wir nicht bis ins Detail wissen, was geschieht. Außerdem hat sich ein Zusammenhang immer wieder bestätigt: Bei Verdoppelung der Stromstärke wächst die Röntgenenergie gemäß einem einfachen quadratischen Gesetz auf das Vierfache; und wie für thermische Strahlung theoretisch erwartet, steigt die Pinchtemperatur mit der Quadratwurzel der Stromstärke. Wenn diese Beziehungen gültig bleiben, müßten bei einer Verdreifachung der Stromstärke auf 60 Millionen Ampere die Energie, Leistung und Temperatur erreicht werden, die für die Zündung einer Fusion mit positiver Gesamtenergiebilanz erforderlich sind.

Doch zuvor bleiben noch einige Fragen zu beantworten. Zunächst ist zu klären, ob der Z-Pinch einen dreimal stärkeren Strom verkraftet. Der Grund, warum sich überhaupt solch enorme Mengen an elektrischer Energie auf so engem Raum konzentrieren lassen, wurde vor fast 30 Jahren am Kurtschatow-Institut, bei Physics International und bei Sandia entdeckt. Extrem starke Ströme erzeugen gewaltige elektrische Felder, die normalerweise ein Überschlagen der Elektrizität und damit einen Kurzschluß hervorrufen würden. Nur ein besonderes Phänomen, das als magnetische Isolierung bezeichnet wird, vermag dies bei kurzen, intensiven elektrischen Pulsen zu verhüten. Dabei schirmt das von dem Stromstoß hervorgerufene Magnetfeld den Leiter ab, überwindet das elektrische Feld, das normalerweise einen Kurzschluß bewirken würde, und lenkt austretende Ladungsträger auf einer Kreisbahn zurück. Obwohl intensive Röntgenstrahlung ein Durchschlagen zusätzlich begünstigt, konnte John L. Porter bei Experimenten zum Pincheffekt, die er im April dieses Jahres bei Sandia durchführ-te, dank der magnetischen Isolierung so enorme Ströme fließen lassen, daß die Tempera-tur im Inneren des Hohlraums 1,7 Millionen Grad erreichte, ohne daß es zu einem Kurzschluß gekommen wäre.

Bei Stromstärken von 20 Millionen Ampere werden 50 Terawatt auf die sehr kleine Oberfläche des Hohlraums übertragen; das entspricht einer Leistungsdichte von 25 Terawatt pro Quadratzentimeter. Bei 60 Millionen Ampere würden 75 Terawatt pro Quadratzentimeter erreicht. Dies wirft neue Probleme auf, weil dadurch der im Material der Metallwand erzeugte Druck auf 1,5 bis 3 Millionen Atmosphären stiege. Ungeklärt ist ferner, ob der Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer Energie in Röntgenstrahlung bei den oben erwähnten 15 Prozent bleibt. Außerdem fragt sich, ob man die Instabilitäten in Schach halten und dem Strahlungspuls, der auf das Pellet einwirkt, die symmetrische Form geben kann, die er nach dem Ergebnis von Computersimulationen haben muß.

Ein anderer wichtiger Schritt ist die Entwicklung eines Modells, mit dem sich die komplexe Physik des Z-Pinch zu höheren Leistungen hin extrapolieren läßt. Die bisherigen Simulationen haben wertvolle Einblicke in das Verhalten eingeschnürter Plasmastränge geliefert. Sie beschränken sich allerdings auf zwei Dimensionen und benötigen trotzdem eine enorme Rechnerleistung. Die vollständige dreidimensionale Simulation der magnetischen, strömungsdynamischen und Strahlungseigenschaften eines Z-Pinch liegt jenseits dessen, was heute möglich ist. Die Fortschritte bei den Hochleistungsrechnern und der Plasmadiagnostik anhand der emittierten Röntgenstrahlung dürften mit denen in der Strahlungsleistung aus der jüngsten Zeit jedoch bald gleichziehen (Bild 6). Seit diesem Jahr haben wir einen Janus-Rechner zur Verfügung, der 1,8 Billionen Gleitkomma-Operationen (Multiplikationen oder Divisionen) pro Sekunde (Teraflops) bewältigt. Zugleich entwickeln Kollegen bei Sandia und in Los Alamos ein Computermodell zur Simulation der Physik des Z-Pinch und des Strahlungstransports zum Pellet. Von seinem Einsatz auf der neuen Generation von Superrechnern erhoffen wir, bei der Entwicklung von Plasmasträngen weiterhin so schnell voranzukommen wie in den letzten Jahren.

Bei Sandia planen wir bereits den nächsten großen Schritt. Ende März haben wir beim US-Energieministerium die Genehmigung für den Bau des Nachfolgemodells der Z-Maschine beantragt. X-1 genannt, soll es eine Strahlungsleistung von 16 Megajoule erbringen und erstmals mindestens soviel Energie liefern, wie für die Zündung aufgewendet werden muß. Die Kosten lassen sich noch nicht genau angeben, aber wir gehen von etwa 700 Millionen Mark aus.

Man sollte allerdings nicht vergessen, daß es sich bei der Z, der X-1 und der NIF um Forschungsanlagen handelt. Mit der Z-Maschine lassen sich vielleicht die Fusionsbedingungen realisieren, die NIF sollte eine Plasmazündung erreichen, und die X-1 wird, unter anderem aufbauend auf den mit der NIF gesammelten Erfahrungen, hoffentlich eine positive Gesamtenergiebilanz erzielen. Keine dieser Anlagen ist jedoch als kommerzielles Kraftwerk gedacht.

Der für seine witzigen Bemerkungen bekannte frühere amerikanische Baseballspieler Yogi Berra stellte einmal treffend fest: "Es ist schwer, Vorhersagen zu machen, vor allem über die Zukunft". Aber wenn wir Entwurf und Bau der X-1 bald in Angriff nehmen können, haben wir wirklich gute Chancen, in zehn Jahren endlich am Ziel zu sein.

Literaturhinweise

– Neutron Production In Linear Deuterium Pinches. Von O. A. Anderson, W. R. Baker, S. A. Colgate, J. Ise und R. V. Pyle in: Physical Review, Band 110, Heft 6, Seiten 1375 bis 1387 (1958).
– X-Rays From Z-Pinches On Relativistic Electron Beam Generators. Von N. R. Pereira und J. Davis in: Journal of Applied Physics, Band 64, Heft 3, Seiten R1 bis R27 (1988).
– Fast Liners For Inertial Fusion. Von V. P. Smirnov in: Plasma Physics and Controlled Fusion, Band 13, Seiten 1697 bis 1714; November 1991.
– Dark Sun: The Making Of The Hydrogen Bomb. Von Richard Rhodes, Simon & Schuster, 1995.
– Z-Pinches As Intense X-Ray Sources For High-Energy Density Physics Applications. Von M. Matzen in: Physics of Plasmas, Band 4, Heft 5, Seiten 1519 bis 1527; Mai 1997.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1998, Seite 28
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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