Kalifornien Forschern gelingt Fortschritt bei Kernfusion

Stromproduktion per Kernfusion ist bisher ein Verlustgeschäft: Physiker müssen mehr Energie investieren, als sie herausbekommen. Nun sind Forscher bei einem Kernfusionsexperiment in den USA dem Ziel näher gekommen, das zu ändern. Doch ihre Ergebnisse haben einen entscheidenden Haken.
Target Positioner: Mit genauen Instrumenten werden die Proben für Kernfusionsexperimente ausgerichtet

Target Positioner: Mit genauen Instrumenten werden die Proben für Kernfusionsexperimente ausgerichtet

Foto: Lawrence Livermore National Laboratory

Schon der Name der National Ignition Facility (NIF) in Kalifornien beschreibt das Ziel des Labors treffend. Übersetzt heißt er etwa "Nationale Zündungsanlage", erforscht werden soll hier die Zündung von Kernfusionen. Nach dem Vorbild der Sonne werden dabei Atomkerne miteinander verschmolzen, wobei ungeheure Mengen an Energie entstehen. Auf dem Verfahren ruhen große Hoffnungen - doch derzeit benötigt es noch mehr Energie, als es liefern kann.

Nun ist den Physikern des Lawrence Livermore National Laboratory in den USA ein wichtiger Fortschritt gelungen, wie die BBC berichtet . Im September schafften sie es erstmals, dass ein mit Lasern beschossener Treibstoff etwas mehr Energie abgab, als die Forscher vorher über den Beschuss an ihn weitergaben. Allerdings geht die Rechnung nur auf, wenn vorherige Energieverluste nicht berücksichtigt werden.

"Der Erfolg der Kollegen ist beachtlich, und ich möchte ihn nicht kleinreden", sagt Sibylle Günter, wissenschaftliche Direktorin des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik. "Aber von einem 'break-even'-Punkt im klassischen Sinne, der so viel Fusionsenergie liefert, wie vorher investiert wurde, sind sie noch weit entfernt."

500 Terawatt für den Bruchteil einer Sekunde

Denn auf die gesamte Anlage mit ihren internen Verlusten gerechnet sind nur etwa 7 Promille der zuvor investierten Energie  bei der Fusion freigesetzt worden. Die Voraussetzung dafür, dass die Kernfusion aber jemals auch auf der Erde zu einer nutzbaren Energiequelle werden könnten, wäre aber, dass die Anlage unter dem Strich mehr Energie liefert, als sie zum Betrieb benötigt. Für den Forschungsreaktor Iter in Frankreich beispielsweise wollen die Physiker sogar erreichen, dass die eingesetzte Energie verzehnfacht wird, sagt Günter. Eine Ausbeute von 60 Prozent der eingesetzten Energie sei in Vorversuchen schon erreicht worden.

Bisher ist die Fusion nur für Sterne wie unsere Sonne eine effiziente Methode zur Energiegewinnung. Sie verschmilzt unter hohem Druck und Hitze Wasserstoff zu Helium und nutzt die dabei freiwerdende Energie.

Im Vergleich zum Energieausstoß der Sonne scheinen die von den Wissenschaftlern am NIF genutzten Laserleistungen zwar gering. Doch immerhin steht in der amerikanischen Stadt Livermore der größte Laser der Welt - mit einer Leistung von etwa 500 Terawatt. Das ist ungefähr das Fünfhundertfache der elektrischen Leistung, die alle Kraftwerke der USA zusammen  zur Verfügung stellen. Die Forscher nutzen die Laserleistung jedoch nur für extrem kurze Pulse mit einer Dauer von wenigen Nanosekunden.

Schwerer Wasserstoff als Treibstoff

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Foto: LLNL / LLC

Für die Versuche der indirekt durch Laser in Gang gesetzten Fusion am NIF wird ein Brennstoffgemisch aus schweren Wasserstoffatomen verwendet. Dafür platzieren die Physiker Deuterium- und Tritium-Atome, die anders als der natürlich überwiegend vorkommende Wasserstoff noch Neutronen enthalten, in einem goldenen Zylinder. Diesen beschießen sie mit Laserstrahlen, so dass im Inneren des Zylinders eine starke Röntgenstrahlung entsteht. Diese Strahlung sorgt dafür, dass der Brennstoff sich auf das bis zu Hundertfache der Dichte von Blei verdichtet und auf über hundert Millionen Grad Celsius erhitzt. Ab einer gewissen Schwelle setzt dann eine Kernfusion des Wasserstoffs zu Helium ein.

Die Erfolgsmeldung aus Kalifornien weckt alte Hoffnungen. Denn die Kernfusion könnte nicht nur für Waffen, sondern auch im großen Stil als elegante und "grüne" Alternative zur Energiegewinnung eingesetzt werden. Endgültiges und noch fernes Ziel bleibt es, eine in Gang gebrachte Fusion trotz Energieverlusten nach außen aufrechtzuerhalten.

"Wie ein Haus mit schlecht isolierten Fenstern"

Für den internationalen Forschungsreaktor Iter in Frankreich setzen Wissenschaftler daher auf Magnetfelder statt auf kurzen Laserbeschuss. In ihnen werden heiße Gase (Plasma) durch beispielsweise Mikrowellen aufgeheizt. Die geometrisch kompliziert geformten Felder sind dabei in der Lage, das Plasma ohne direkten Kontakt mit anderer Materie einzudämmen.

Es sind vor allem technische Hürden und Probleme, die bei der Fusionsforschung immer wieder Rückschläge verursachen: Allein Materialien für einen Reaktor zu finden, die die Belastungen beim Fusionsprozess aushalten, ist äußerst schwierig. Zudem ist die Isolierung nach außen ein Problem. "Auch uns geht derzeit noch viel Energie verloren", sagt die Physikerin Günter. "Wir erreichen einige hundert Millionen Grad Celsius, aber es ist wie bei einem Haus mit schlecht isolierten Fenstern: Es wird zwar warm, sobald Sie die Heizung voll aufdrehen, sehr effizient ist es allerdings nicht."

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