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News: Der Fusion ein Schrittchen näher

Gelänge eines Tages die kontrollierte Verschmelzung zweier Atomkerne, wären die irdischen Energieprobleme ein für alle Mal gelöst. Doch bis dahin gilt es, zigmillionen Grad heißes Plasma zu handhaben. Die ganz neue fast-ignition-Technik ist ein vielversprechender Ansatz. Jetzt gelang Forschern erstmalig die punktgenaue Zündung des Brennstoffes, na ja, fast jedenfalls.
Könnten wir es doch nur der Sonne nachmachen und aus zwei Atomkernen einen machen. Seit vielen Jahren wollen sich Forscher auf der ganzen Welt diesen Wunsch endlich erfüllen: Die Fusion von Deuterium und Tritium. Doch sie kämpfen dabei mit unüberwindbar erscheinenden Problemen. Zum einen müssen Temperaturen von über 50 Millionen Grad beherrscht werden, zum anderen gilt es, das dabei entstehende Plasma zu handhaben – dabei trennen sich die Elektronen vom Kern des Brennstoffs, der in diesem Zustand unter keinen Umständen mit dem Reaktor selber in Berührung kommen darf.

Prinzipiell gibt es für die Beherrschung des Plasmas zwei Methoden, das Plasma für den Plasmaeinschluss entwickelt, den so genannten magnetischen Einschluss (magnetically confined fusion energy, MCF) und den Trägheitseinschluss (inertial confinement fusion, ICF).

Beim MCF werden Hunderte von Kubikmetern eines Deuterium-Tritium-Plasmas mit einer Dichte von weniger als 10-9 Gramm pro Kubikzentimeter in einem magnetischen Feld bei Drücken von weniger als zehn Bar auf Fusionstemperatur aufgeheizt. In diesem Fall soll ein stetig brennendes Plasma erzeugt werden.

Die ICF-Methode beruht dagegen auf ständig erfolgenden Mikro-Explosionen des Brennstoffs, ähnlich wie in einem Verbrennungsmotor. Dazu wird eine wenige Millimeter große Kugel aus gefrorenem Deuterium-Tritium bei über 100 Gigabar binnen 10-8 Sekunden auf Hunderte von Gramm pro Kubikzentimeter verdichtet. Die Zündung erfolgt dann in einem kleinen, zentralen und sehr heißen Punkt.

Dieses Verfahren ist noch vergleichsweise neu und benötigt gigantische Laser, die innerhalb einiger Nanosekunden bis zu zwei Megajoule Energie freisetzen können – immerhin nur ein 15tel der Energie, die anschließend im Zuge der Fusion frei wird. Und dieses Verhältnis ließe sich vermutlich noch um ein Vielfaches steigern, und zwar mithilfe der fast-ignition-Methode.

Dabei wird der schalenförmige Brennstoff zunächst mit einem Laser beschossen, worauf die Kugel implodiert und der Brennstoff verdichtet wird. Genau in dem Moment, in dem der Brennstoff seine größte Dichte erreicht, wird zehn Pikosekunden lang ein 10-Petawatt-Laser auf den verdichteten Brennstoff gerichtet. Bei diesem Verfahren sind Verhältnisse von Energieaufwand zu Energieausbeute von bis zu 1:300 erreichbar. Auch muss der Laser nicht mehr haargenau auf das Zentrum des Brennstoffkügelchens gerichtet werden, es reicht, wenn der Strahl die Kugel irgendwo trifft.

Ryosuke Kodama von der University of Osaka und seinen Kollegen haben nun ein vielversprechendes Experiment durchgeführt, das zwar von der eigentlich Fusion noch weit entfernt ist, aber immerhin zeigt, wie es gehen könnte. Ihnen gelang die punktgenaue "Zündung" des Brennstoffs genau in dem Moment seiner größten Dichte. Die Forscher blieben in ihrem Experiment allerdings unterhalb der Zündschwelle. Ihnen ging es in diesem Stadium darum, die Umsetzbarkeit der fast-ignition-Methode zu überprüfen.

Dazu stellten sie zunächst eine kleine sphärische Kugel aus Polystyrol und Deuterium her. Tritium wurde in diesen Versuchen noch nicht eingesetzt. Diese Kugel hing am Ende eines hohlen, einen Millimeter langen Goldkonus. Nun richteten die Forscher für eine Nanosekunde einen Laserpuls mit 1,2 Kilojoule Energie auf die Kugel, sodass sich der Brennstoff durch eine Implosion stark verdichtete. Genau in der Pikosekunde, in der die maximale Dichte von 50 Gramm pro Kubikzentimeter erreicht hatte, gelang den Forschern die Aufheizung des Brennstoffs mithilfe eines Lasers auf rund 1,4 Millionen Grad.

So also könnte es gehen, und wenn aus den 1,4 Millionen Grad einmal an die 50 Millionen werden, dann steht der kontrollierten Nutzung der Fusionsenergie womöglich nichts mehr im Wege. Doch wenngleich diese Experimente vielversprechend erscheinen, ist der Weg zum ersten Kraftwerk noch unübersehbar lang.

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