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Energieforschung: Plasma|in|fusion

Während sich eine internationale Staatengemeinschaft in jahrelanger Abstimmung auf den Standort eines Versuchsreaktors einigte, haben die USA eine Anlage gebaut, eröffnet und erfolgreich getestet. Und zünden noch dieses Jahr zum ersten Mal einen Mikrostern im Labor.
Lasergetriebene Trägheitsfusion
"Das größte Wissenschaftsprojekt seit der Internationalen Raumstation." So bezeichnete der ehemalige französische Staatspräsident Jacques Chirac den mittlerweile begonnenen Bau des Versuchs-Fusionsreaktors Iter in Cadarache, nördlich von Marseille. Dieses Etikett ist förmlich Segen und Fluch zugleich. Denn steht es zum einen für das hehre Ziel, "saubere" Energie zu erzeugen – ohne Emission von Treibhausgasen, Ausbeutung begrenzter Rohstoffe und stark radioaktiven Abfall –, wird es zum anderen genau wie die bemannte Raumfahrt als zu teures und letztendlich vielleicht sinnloses Unterfangen kritisiert.

Plasmagefäß der Fusionsanlage ASDEX Upgrade
Plasmagefäß der Fusionsanlage ASDEX Upgrade | Blick in das Plasmagefäß des Testreaktors, einem so genannten Tokamak, des IPP in Garching. Spulen erzeugen hier ein schraubenartig geformtes Magnetfeld in der Plasmakammer, das das heiße Gas von den Wänden weg drückt und zum Zentrum des Querschnitts hin verdichtet, wo die Fusion stattfinden soll.
Dabei beschäftigen sich Wissenschaftler und Techniker ebenfalls seit mehr als einem halben Jahrhundert mit einem solchen Reaktor. Kurz nachdem Physiker wie Hans Bethe die Energiegewinnung in Sternen erklärten, wurde darüber nachgedacht, die Fusion auf der Erde zur Stromerzeugung einzusetzen – bis heute allerdings ohne Erfolg. Denn die Bedingungen im Zentrum von Sternen wie der Sonne sind extrem – hier herrschen Drücke von 300 Milliarden Atmosphären und Temperaturen von mehr als zehn Millionen Grad.

Bei dieser Hitze ist der Wasserstoff, aus dem die Sonne überwiegend besteht, ionisiert: Die Elektronen sind nicht mehr an die Atomkerne gebunden und bewegen sich frei durcheinander. Physiker nennen diesen Zustand Plasma oder den vierten Aggregatzustand neben fest, flüssig und gasförmig. Mehr als 99 Prozent der sichtbaren Materie im Universum liegt als Plasma vor. Auch die Erde ist einem ständigen Strom von solchem ionisierten Gas ausgesetzt, dem Sonnenwind. Da die Teilchen, aus denen sich das Plasma zusammensetzt, nicht neutral sind, können elektrische Ströme fließen und die Partikel werden vom Magnetfeld der Erde abgelenkt und teilweise eingefangen.

Plasma – gezähmt per Magnetfeld

Dadurch kommen zahlreiche Effekte zustande, die bei neutralen Gasen nicht beobachtet werden. Einer davon konnte jetzt in einem neuartigen Aufbau am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA, erstmals im Versuch nachgestellt werden. In ihrer Plasmakammer hielten die Forscher um Michael Mauel von der Columbia University in New York und Jay Kesner vom MIT einen supraleitenden Dipolmagneten mit einem externen Feld in der Schwebe, anstatt ihn wie gewöhnlich mechanisch zu fixieren. Die geladenen Teilchen können sich dadurch frei um den "magnetischen Donut" bewegen, ohne eine Aufhängung zu berühren.

Levitated Dipole Experiment (LDX)
Neue Magnetanordnung | Das Leuchten des Plasmas verrät dessen unterschiedliches Verhalten, wenn der quer stehende Dipolmagnetring (Bildmitte) von einer mechanischen Halterung (Catcher) fixiert wird (links), oder wenn diese nach unten weggezogen ist und der Dipol magnetisch in der Schwebe gehalten wird (rechts). Dann sammelt sich heißes Plasma nahe des Dipols an und staut sich zu hoher Dichte auf.
"Unser Experiment wurde von der irdischen Magnetosphäre inspiriert", erläutert Mauel. "Planeten wie Erde und Jupiter können mit ihrem Dipolfeld heiße, ionisierte Materie auch bei hohem Druck ansammeln", so der Physiker weiter. Dieser Plasmaeffekt wird als Turbulent Inward Pinching bezeichnet. Neutrales Gas würde sich dagegen schnell wieder umverteilen und die Dichteunterschiede ausgleichen. Abgesehen von der Grundlagenforschung, könnte die neue Magnetanordnung auch bei der Weiterentwicklung von Fusionsexperimenten helfen.

Auch in der bisher führenden Anlage zum magnetischen Plasmaeinschluss, dem Tokamak, ließen sich diese Turbulent Inward Pinch bereits beobachten. "Aber noch nie in der Klarheit wie in diesem Versuch am MIT", berichtet Karl Lackner, Theoretiker am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching. Die US-Forscher verweisen darauf, dass – sofern ihre Folgeexperimente weiterhin ermutigende Resultate liefern – ihre Dipolanlagen eine alternative zweite Generation von Fusionsreaktoren darstellen könnten.

Wendelstein 7-X
Wendelstein 7-X | Computergrafik der verwundenen Magnetspulen und des Plasmas der Stellarator-Fusionsanlage Wendelstein 7-X, die am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald aufgebaut wird.
In diesen sei es dann möglich, durch den Einsatz von Helium-3 auf das Erbrüten von Tritium, einem radioaktiven Isotop des Wasserstoffs, zu verzichten. Bisher wird das überschwere Wasserstoffisotop neben Deuterium verwendet, da die Reaktionswahrscheinlichkeit und die Energiebilanz bei diesen Kernen günstiger sind. Doch der Verzicht wirft andere Probleme auf. "In Anwesenheit von Deuterium entsteht immer Tritium und damit findet auch der übliche Fusionsprozess statt. Dessen schnelle Neutronen erwärmen jedoch den gekühlten supraleitenden Magneten", wirft Lackner ein.

Ralph Schorn, Plasmaphysiker vom Forschungszentrum Jülich, zählt weitere Schwierigkeiten auf: "Helium-3 ist auf der Erde nicht annähernd ausreichend vorhanden, kann nicht erbrütet werden und müsste auf dem Mond abgebaut werden. Zudem liefert die Reaktion mit Helium-3 als Endprodukt keine Neutronen." Das könnte zwar auch Vorteile mit sich bringen, doch die im Reaktor erzeugte Energie müsste in diesem Fall über Wärmeleitung und Oberflächenkontakt aus der Brennkammer geleitet werden. "Zusammen mit der wesentlich höheren Plasmatemperatur von 700 Millionen Grad führt das zu Problemen, die die heutige Fusionsforschung nicht annähernd lösen kann", so Schorn. Schwierigkeiten auf allen Wegen

Doch auch die Ansätze, die von deutschen Forschern verfolgt werden, haben mit gravierenden technischen Herausforderungen zu kämpfen. Selbst wenn das heiße Plasma weitestgehend durch die schraubenförmig verdrehten Magnetfelder in Tokamaks oder den so genannten Stellaratoren von den Wänden der Kammer fern gehalten wird, lässt sich ein Kontakt wegen Turbulenzen und Plasmainstabilitäten nie völlig vermeiden. Kommt es dazu, schlägt das Plasma Partikel aus der Wand heraus, die das ionisierte Gas verunreinigen. Gleichzeitig erodiert die Oberfläche und ändert ihre Eigenschaften.

Dies in den Griff zu bekommen wird eine der Hauptaufgaben von Iter sein. Läuft alles nach Plan, finden 2018 die ersten Versuche statt. Acht Jahre später wollen die Wissenschaftler dann erstmals mit einem Deuterium-Tritium-Plasma zeitweise Energie erzeugen. Erst wenn diese Testphasen erfolgreich verlaufen, beginnt der Bau des eigentlichen Kraftwerkprototyps "Demo", der im Idealfall Mitte des Jahrhunderts ans Netz geht.

Reaktionskammer für die Kernfusion an der NIF
Reaktionskammer für die Kernfusion an der NIF | Ein Techniker bringt am Ausleger der etwa zehn Meter großen Targetkammer der National Ignition Facility einen kleinen Goldzylinder an, in den 192 Laserstrahlen geschossen werden. Das Pellet in seinem Inneren wird dadurch extrem zusammengedrückt, und Kernfusion setzt ein.
In den Vereinigten Staaten wird neben den Reaktoren mit magnetischem Plasmaeinschluss – wie beim Tokamak oder den Stellaratoren – noch ein anderer Weg verfolgt: Die Trägheitsfusion. Dass diese Methode umsetzbar ist, zeigte sich bereits in den 1950er Jahren. In Wasserstoffbomben wurde der Brennstoff durch den Druck einer explodierenden Atombombe auf die nötige Temperatur und Dichte gebracht.

Mittlerweile forschen Wissenschaftler daran, dies durch massiven Laserbeschuss zu bewerkstelligen. Die auf europäischer und deutscher Ebene geförderte Wissenschaft verzichtet bislang allerdings auf die Entwicklung dieser Methode und konzentriert sich auf den magnetischen Einschluss. Auf Grund der langjährigen militärischen Grundlagenforschung in diesem Sektor hat die Trägheitsfusion allerdings einen merklichen Vorsprung.

"Stern in der Schachtel"

Jetzt, da die Lasertechnik genug Leistung erbringt, soll der endgültige Durchbruch neben der militärischen auch die zivile Nutzung möglich machen. Im Mai 2009 wurde am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien die National Ignition Facility (NIF) eingeweiht. 192 Hochleistungslaserstrahlen werden hier auf einer Fläche von drei Fußballfeldern erzeugt, mehrfach verstärkt und dann in der Experimentierkammer auf einen weniger als einen Zentimeter großen, hohlen Goldzylinder gerichtet. In dessen Zentrum befindet sich die eigentliche Fusionskapsel mit 1,8 Millimeter Durchmesser.

"Einen 'Mikrostern' erzeugen – das ist die Aufgabe der National Ignition Facility und wir werden es noch dieses Jahr versuchen."
(Siegfried Glenzer)
Durch die Einstrahlung des Laserlichts entsteht im Hohlraum Röntgenstrahlung, die die äußere Schicht der Kapsel explosionshaft verdampft, wodurch der Kern schlagartig verdichtet wird. Allein die Trägheit der Plasmateilchen ist dann ausreichend, um einige Milliardstelsekunden lang genügend Druck beizubehalten, damit die Kernfusion zündet. "Die Vorabversuche Nova und Omega haben die nötige Kompression mit viel kleineren Kapseln schon erreicht", erklärt Siegfried Glenzer vom Livermore Labor. "Aber wir brauchen die jetzige Pelletgröße, wenn wir einen Energieüberschuss erzielen wollen. Einen 'Mikrostern' erzeugen – das ist die Aufgabe der NIF und wir werden es noch dieses Jahr versuchen."

Lasergetriebene Trägheitsfusion
Lasergetriebene Trägheitsfusion | An der National Ignition Facility des Livermore Labors in Kalifornien werden 192 Laserstrahlen in einen kleinen hohlen Goldzylinder gerichtet. Darin befindet sich ein kugelförmiges Pellet mit dem Treibstoff für die Kernfusion, das von der Strahlung auf eine Dichte und Temperatur komprimiert wird, wie sie im Zentrum von Sternen herrschen. Dann setzt spontan Kernfusion ein.
Die Ergebnisse der ersten Tests haben Glenzer und seine Kollegen jetzt veröffentlicht. Mit etwa der Hälfte der nominalen Laserenergie von ungefähr 1,3 Megajoule konnten sie eine Dummy-Kapsel auf die gewünschte Weise komprimieren. "Ein Meilenstein", attestiert Lackner, "damit ist der Beweis erbracht, dass das Prinzip funktioniert. Ein gewaltiger Schritt vorwärts." Wenn es dann so weit ist, verwenden die Forscher ein Pellet mit Deuterium und Tritium und komprimieren es mit ihrer Laserphalanx doppelt so stark wie im Test. Das Plasma erreicht dann mehr als 100 Milliarden Atmosphären Druck und eine Temperatur von mehr als 100 Millionen Grad, genug für das Einsetzen der Fusionsreaktion.

Dies ist freilich nur von kurzer Dauer. Wollte man damit dauerhaft Strom erzeugen, müsste der gesamte Vorgang bis zu zehnmal pro Sekunde wiederholt werden. Glenzer führt aus: "Der Prozess wird im gepulsten Modus durchgeführt und um ihn zur Energiegewinnung weiterzuentwickeln, benötigt man kurze Zyklen für den Laserbeschuss und die Pelletfabrikation. Solche Pläne existieren bereits unter dem Projektnamen Life." Diese schnelle Taktung von Explosionen birgt im Dauerbetrieb Tücken.

Iter
ITER | In einer ringförmigen Brennkammer von etlichen Metern Durchmesser sollen im Kernfusionsreaktor ITER Wasserstoff- zu Heliumkernen verschmelzen und dabei Energie freisetzen. Die Kammer hat den für Tokamaks typischen "D"-Querschnitt.
"Beim magnetischen Einschluss des Plasmas in einem Tokamak oder Stellarator läuft die Fusion dagegen stationär ab, vergleichbar einer chemischen Verbrennung bei einem Plasmadruck von nur zehn Atmosphären", beschreibt Lackner. Kein Wunder also, dass die deutschen Forscher mit ihren Anlagentypen wie Asdex und Wendelstein am Ball bleiben wollen – liefern sie doch wesentliche Grundlagen, die bei Konstruktion und Betrieb von Iter berücksichtigt werden. Für das drei Jahrzehnte dauernde Projekt ist mit Kosten jenseits der Zehn-Milliarden-Euro-Grenze zu rechnen, verteilt auf die Schultern der Europäischen Union, Japans, Russlands, der USA, der Volksrepublik China, Südkoreas und Indiens.

Auch wenn die Energieerzeugung im Iter – geschweige denn der Bau des ersten Fusionskraftwerks – vielleicht noch weiter entfernt liegt als eine Mondstation oder ein bemannter Flug zum Mars, könnte die Forschung auf diesem Gebiet durch die absehbare Zündung des ersten Mikrosterns im Labor deutlich mehr Rückhalt erlangen. Letzten Endes ist fraglich, ob sich die Menschheit angesichts des Klimawandels den Luxus erlauben kann, auf die mögliche Energiegewinnung durch Kernfusion von vornherein zu verzichten – trotz ungelöster technischer Probleme und enormer Entwicklungskosten.

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  • Quellen
Boxer, A.C. et al. Turbulent inward pinch of plasma confined by a levitated dipole magnet. In: Nature Physics, 10.1038/NPHYS1510, 2010.

Glenzer, S.H. et al. Symmetric Inertial Confinement Fusion Implosions at Ultra-High Laser Energies. In: Science, 10.1126/science.1185634, 2010.

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