Energie: Auf dem Weg zur Kernfusion

US-Forscher haben möglicherweise einen wichtigen Fortschritt bei der Kernfusion gemacht: Nach ersten Praxistests haben sie gezeigt, dass ihre Technik funktionieren kann. Computersimulationen hatten zuvor ergeben, dass ihre Technik mehr Energie produzieren kann, als hineingesteckt wird.

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Ryan McBride mit einem Beryllium-Zylinder, der in der Z Maschine getestet werden soll (Foto: Randy Montoya/Sandia)

Bei der Kernfusion werden die Kerne der Wasserstoffisotope Tritium und Deuterium verschmolzen. Der Prozess ist sehr energiereich - mit wenig Treibstoff kann sehr viel Energie erzeugt werden. Um die gleich geladenen Kerne zu fusionieren, muss aber ihre Abstoßung überwunden werden. Dazu werden die Wasserstoffisotope auf etwa 100 Millionen Grad erhitzt und das dabei entstehende Plasma hohem Druck ausgesetzt. Die Isotope fusionieren zu Helium. Dabei werden Neutronen und Energie frei.

Trägheitsfusion

Die Forscher im Sandia National Laboratory des US-Energieministeriums in Albuquerque im US-Bundesstaat New Mexico haben eine Technik für die Trägheitsfusion entwickelt, die Magnetized Liner Inertial Fusion (MagLIF). Bei der Trägheitsfusion wird der Brennstoff durch sehr schnelle Energiezufuhr extrem verdichtet und aufgeheizt. Die Sandia-Wissenschaftler nutzen dazu einen magnetischen Puls, den sie mit der Z-Maschine erzeugen. Das ist ein Pulsgenerator, der einen 100 Nanosekunden dauernden Puls von 25 Millionen Ampere erzeugt.

Der Puls wirkt auf einen Zylinder mit einem Durchmesser von 7 Millimetern ein. In dem aus Beryllium bestehenden Gefäß befinden sich das Deuterium und das Tritium. Der Strom, der an den Wänden des Zylinders entlangläuft, erzeugt ein Magnetfeld, das die Wände des Zylinders, Liner genannt, zusammendrückt, den Fusionstreibstoff komprimiert und aufheizt. Der Treibstoff wird kurz vor dem Puls schon mit einem Laserpuls vorgeheizt. An den beiden Enden des Zylinders befindet sich je eine Spule. Die beiden Spulen erzeugen ein Magnetfeld, das verhindert, dass geladene Teilchen entweichen und das Plasma abkühlen.

Simulierte Fusion

2010 hatte Sandia-Forscher Steve Slutz in Simulationen gezeigt, dass diese Technik funktioniert und dass eine Fusionsreaktion, die in dem Zylinder erfolgt, mehr Energie freisetzt als aufgewendet werden muss, um diese herbeizuführen. In Praxistests haben die Wissenschaftler jetzt die Beryllium-Zylinder erstmals den Pulsen der Z-Maschine ausgesetzt. Die Zylinder überstanden das Zusammenpressen und blieben weitgehend intakt. Wären sie zu stark verformt worden, hätten sie ihre Funktion nicht erfüllen können.

Die Schwierigkeit war, die richtige Wandstärke für die Liner zu finden: Sind die Wände zu dick, werden sie nicht schnell genug zusammengedrückt, um den Treibstoff zu komprimieren. Das Wandmaterial verdampft jedoch durch den Puls. Ist es zu dünn, verdampft es zu schnell und kann den Treibstoff nicht komprimieren.

Die richtige Wandstärke

Es galt deshalb, eine Stärke zu finden, die eine ausreichende Implosionsgeschwindigkeit ermöglicht und gleichzeitig sicherstellt, dass der Zylinder intakt bleibt, wie Forschungsleiter Ryan McBride erklärt. Die Zylinder hätten sich in der Praxis so verhalten, wie es ihre Simulationen vorhergesagt hätten, resümiert McBride. Die Forscher stellen ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Physical Review Letters vor.

Als Nächstes wollen die Forscher die Spulen und den Laser zum Vorheizen in das System integrieren. Beide Komponenten sollen im Dezember getestet werden. Die ersten Tests des kompletten Systems mit Deuterium sind für Ende 2013 geplant.

Keine Projektförderung mehr für Iter

Eine der wichtigen Stätten für die Forschung an der Kernfusion ist der International Thermonuclear Experimental Reactor, kurz Iter, der im französischen Cadarache gebaut wird. Allerdings will die Bundesregierung Projektförderung einstellen. Das gehe aus einer Antwort auf eine Anfrage der SPD-Fraktion hervor, berichtet die Financial Times Deutschland. In der Antwort heißt es, es würden "keine neuen Projektanträge mehr angenommen".