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Fusionsforschung: Laserfusion feiert Beinahedurchbruch

Bislang gab das Fusionsexperiment nur 3 Prozent der Energie zurück, die man hineinsteckt. Nun ist der Wert schlagartig auf 70 Prozent gestiegen. Ein Meilenstein, sagen Experten.
Reaktionskammer für die Kernfusion an der NIFLaden...

Die National Ignition Facility (NIF) der USA vermeldet einen wichtigen Erfolg bei ihren Versuchen, mit Kernfusion Energie zu gewinnen: Erstmals setzte das Experiment rund 70 Prozent der Energie frei, die man vorher aufwenden muss, um den Vorgang in Gang zu setzen. Über Jahre hinweg hatten die Experimentatoren gerade einmal drei Prozent der eingesetzten Energie zurückerhalten. Insofern handelt es sich bei dem jetzt Erreichten um einen »Meilenstein der Fusionsforschung«, sagt etwa Laserfusionsexperte Markus Roth von der TU Darmstadt, der am Bau des Lasers mitgearbeitet hat.

Ziel der Forschung ist es natürlich, am Ende mehr Energie zu erhalten, als zu Beginn hineingesteckt wurde. Seit Langem sehnen die Forscherinnen und Forscher der NIF darum den Break-even-Point herbei, jenen Punkt, an dem sich Energieeinsatz und -ertrag genau die Waage halten. Diesem Punkt kamen sie bei dem Durchlauf am 8. August 2021 näher denn je zuvor: Den 1,9 Megajoule für den Laser standen 1,3 Megajoule freigesetzter Energie gegenüber.

An der NIF, die das Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore, Kalifornien, betreibt, werden die Hitze und der Druck, die zur Kernverschmelzung notwendig sind, durch einen hochenergetischen und ultrakurzen Laserblitz erzeugt. Der Treibstoff, ein Gemisch aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium, wird dazu im Zentrum der Vorrichtung in einer etwa zwei Millimeter großen Kapsel eingeschlossen, die ihrerseits in einem ein Zentimeter großen Zylinder aus Gold sitzt. Insgesamt 192 einzelne Laserstrahlen konzentrieren für 20 milliardstel Sekunden ihr Licht auf das Gold, das verdampft und Röntgenstrahlen ins Zentrum der Kapsel schleudert, die wiederum die Kapsel so weit komprimieren und aufheizen, dass die Atomkerne des Wasserstoffs darin verschmelzen.

Der Ansatz entpuppte sich als vertrackter als bei Projektstart im Jahr 2009 erwartet. Wie das Wissenschaftsmagazin »Science« berichtet, verdanken sich die jüngsten Fortschritte denn auch einem besseren Verständnis der Vorgänge bei der Implosion, die zu einer Vielzahl unscheinbarer Verbesserungen führten. Unter anderem seien die Wände der Kugel von mikroskopischen Unregelmäßigkeiten befreit worden.

Der Prozess steht und fällt mit der »Zündung« des Treibstoffs: Die durch erste Fusionsreaktionen freigesetzte Energie muss lange genug im Zentrum der einstigen Kapsel bleiben, um dieses so stark aufzuheizen, dass weitere Verschmelzungen stattfinden, die ihrerseits mit ihrer Energie den Vorgang vorantreiben. Erst diese Kettenreaktion ermöglicht es, dass ein Großteil des Treibstoffs umgesetzt wird.

Dass die freigesetzte Energie mit einem Mal deutlich größer war als bei allen früheren Versuchen, legt nahe, dass nun erstmals eine solche Kettenreaktion zumindest ansatzweise erreicht wurde. Das macht die Ergebnisse so bedeutend für Fusionsforscher.

Allerdings wäre die Laserfusion selbst dann noch nicht einsatzreif, wenn sie den Break-even erreichen oder gar überschreiten würde. Die freigesetzte Energie fällt zunächst in Gestalt schneller Neutronen an. Um sie in eine nutzbare Form umzuwandeln, müssten laut »Science« zehn dieser Kapseln pro Sekunde beschossen werden – technisch eine gewaltige Herausforderung. Der kommerzielle Erfolg der Laserfusion ist darum ebenso ungewiss wie der alternativer Verfahren, wie man sie etwa am europäischen Kernfusionsforschungszentrum ITER in Frankreich erprobt.

Weil bei der Kernfusion im Wesentlichen Wasserstoff zu Helium umgesetzt wird, gilt das Verfahren in der Theorie als relativ umweltfreundlich. Es fallen zudem deutlich geringere Mengen radioaktiven Abfalls an, außerdem besteht keine Gefahr einer unkontrollierten, zerstörerischen Kernschmelze wie in einem gängigen Kernkraftwerk.

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