Kernfusion: Heiße Kiste
Von der Energiegewinnung durch Verschmelzen von Atomkernen erhoffen sich viele einen deutlichen Beitrag, um die Stromproduktion der Zukunft sicher zu stellen. Doch sind bis dorthin noch viele Stolpersteine aus dem Weg zu räumen. Einen entscheidenden Beitrag dazu will eine amerikanisch-französische Forschergruppe nun geleistet haben.
Ein bemerkenswertes Ergebnis der jüngsten Delphi-Studie – die immerhin nun auch schon einige Jahre zurück liegt – war: Die Fachleute glaubten damals wie heute, dass es noch mindestens 50 Jahre dauert, bis ein Kraftwerk durch die Fusion von Atomkernen Energie liefert. Die mit dieser Aufgabe beschäftigten Techniker und Ingenieure scheinen mehr oder weniger auf der Stelle zu treten oder zumindest nur sehr langsam voranzukommen.
Das ist kein Wunder. Schließlich ist die Zähmung des Feuers, das der Sonne ihre Kraft verleiht, mit gewaltigen technischen Anstrengungen verbunden: Bevor zwei Atomkerne miteinander verschmelzen, müssen sie ihre elektromagnetische Abstoßung überwinden. Dazu bedarf es hoher Drücke und enormer Temperaturen. Im Inneren unseres Zentralgestirns, wo ein Druck von über zehntausend Billionen Pascal herrscht, laufen diese Prozesse "bereits" ab einer Hitze von 10 Millionen Kelvin ab. Weil es schwierig ist, ähnlich hohe Drücke auf der Erde zu erzeugen, müssen die Fusionsforscher ihre Brennstoffe – meist die beiden Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium – auf mindestens 100 Millionen Kelvin erhitzen.
Bei diesen bulligen Temperaturen sind die Elektronen ihren Atomkernen schon lange entflohen. Die Ingenieure stehen daher vor der Aufgabe, ein so unvorstellbar heißes, elektrisch geladenes Plasma einzufangen. Das ist gar nicht so leicht, weil bei diesen Temperaturen alle bekannten Materialien verdampfen, kämen sie in direkten Kontakt mit diesem wabernden Brennstoff. Die Experimentatoren halten die wild umherschwirrenden, geladenen Atomkerne des Plasmas daher mit Hilfe von starken Magnetfeldern in der Schwebe.
So weit die Theorie. In der Praxis ist offensichtlich aber alles viel komplizierter. Oftmals führen stoßartige Instabilitäten in den Randbezirken des Brennstoffs zu starken Belastungen der Gefäßwandungen und damit zu deren frühzeitigem Altern. Doch soll ein Fusionsreaktor mindestens zwanzig oder dreißig Jahre Energie liefern, bevor er marode wird. Sonst sieht es mau aus mit der Energiebilanz und den Stromerstellungskosten.
Nun fand Todd Evans von der amerikanischen Firma General Atomics im kalifornischen San Diego offenbar eine Lösung, wie man diese Ausbrüche züchtigen kann. Zusammen mit Kollegen, darunter auch Vertreter der Euratom-CEA aus dem französischen Cadarache, dem Standort des künftigen internationalen Tokomak Experimental Reaktor ITER, setzte er das Magnetfeld, welches das Plasma schlauchartig umgibt, kleinen Störungen aus. Und obwohl die Magnetfelder daraufhin ein chaotisches Verhalten an den Tag legten, konnten Evans und seine Arbeitsgruppe die Instabilitäten auf diese Weise für über zweieinhalb Sekunden unterdrücken. Das klingt nicht viel, entspricht aber etwa der siebzehnfachen Zeit, die das Plasma benötigt, um nutzbare Energie zu erzeugen.
Dass diese kleinen Störungen die wabernde Masse beruhigt, ist selbst für die Wissenschaftler eine Überraschung. Schließlich steht die Beobachtung nicht im Einklang mit den bislang gängigen Theorien der Magneto-Hydrodynamik, mit der das Verhalten des Plasmas auf Magnetfelder üblicherweise beschrieben wird. Wichtiger als eine alles erklärende Theorie ist den Forschern aber, dass das Sonnenfeuer auf diese Art gezähmt werden kann. Mit Bewältigung dieser Aufgabe hoffen sie daher, dass es schon bald gelingen werde, Energie aus der Fusion von Atomkernen zu gewinnen – und nicht erst in 50 Jahren.
Das ist kein Wunder. Schließlich ist die Zähmung des Feuers, das der Sonne ihre Kraft verleiht, mit gewaltigen technischen Anstrengungen verbunden: Bevor zwei Atomkerne miteinander verschmelzen, müssen sie ihre elektromagnetische Abstoßung überwinden. Dazu bedarf es hoher Drücke und enormer Temperaturen. Im Inneren unseres Zentralgestirns, wo ein Druck von über zehntausend Billionen Pascal herrscht, laufen diese Prozesse "bereits" ab einer Hitze von 10 Millionen Kelvin ab. Weil es schwierig ist, ähnlich hohe Drücke auf der Erde zu erzeugen, müssen die Fusionsforscher ihre Brennstoffe – meist die beiden Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium – auf mindestens 100 Millionen Kelvin erhitzen.
Bei diesen bulligen Temperaturen sind die Elektronen ihren Atomkernen schon lange entflohen. Die Ingenieure stehen daher vor der Aufgabe, ein so unvorstellbar heißes, elektrisch geladenes Plasma einzufangen. Das ist gar nicht so leicht, weil bei diesen Temperaturen alle bekannten Materialien verdampfen, kämen sie in direkten Kontakt mit diesem wabernden Brennstoff. Die Experimentatoren halten die wild umherschwirrenden, geladenen Atomkerne des Plasmas daher mit Hilfe von starken Magnetfeldern in der Schwebe.
So weit die Theorie. In der Praxis ist offensichtlich aber alles viel komplizierter. Oftmals führen stoßartige Instabilitäten in den Randbezirken des Brennstoffs zu starken Belastungen der Gefäßwandungen und damit zu deren frühzeitigem Altern. Doch soll ein Fusionsreaktor mindestens zwanzig oder dreißig Jahre Energie liefern, bevor er marode wird. Sonst sieht es mau aus mit der Energiebilanz und den Stromerstellungskosten.
Nun fand Todd Evans von der amerikanischen Firma General Atomics im kalifornischen San Diego offenbar eine Lösung, wie man diese Ausbrüche züchtigen kann. Zusammen mit Kollegen, darunter auch Vertreter der Euratom-CEA aus dem französischen Cadarache, dem Standort des künftigen internationalen Tokomak Experimental Reaktor ITER, setzte er das Magnetfeld, welches das Plasma schlauchartig umgibt, kleinen Störungen aus. Und obwohl die Magnetfelder daraufhin ein chaotisches Verhalten an den Tag legten, konnten Evans und seine Arbeitsgruppe die Instabilitäten auf diese Weise für über zweieinhalb Sekunden unterdrücken. Das klingt nicht viel, entspricht aber etwa der siebzehnfachen Zeit, die das Plasma benötigt, um nutzbare Energie zu erzeugen.
Dass diese kleinen Störungen die wabernde Masse beruhigt, ist selbst für die Wissenschaftler eine Überraschung. Schließlich steht die Beobachtung nicht im Einklang mit den bislang gängigen Theorien der Magneto-Hydrodynamik, mit der das Verhalten des Plasmas auf Magnetfelder üblicherweise beschrieben wird. Wichtiger als eine alles erklärende Theorie ist den Forschern aber, dass das Sonnenfeuer auf diese Art gezähmt werden kann. Mit Bewältigung dieser Aufgabe hoffen sie daher, dass es schon bald gelingen werde, Energie aus der Fusion von Atomkernen zu gewinnen – und nicht erst in 50 Jahren.
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