Zündender Funke

News: Zündender Funke

Bislang gelang es der Wissenschaft nicht, die Bedingungen für eine kontrollierte, sich selbst erhaltende Kernfusion zu schaffen. Mit der verbesserten Version eines neuen Experiments soll das eines Tages möglich sein.

Thorsten Krome

Noch träumen Wissenschaftler lediglich davon, das Feuer der Sonne zu bändigen. Denn bisher konnte niemand unter kontrollierten Bedingungen eine Kernfusion in Gang setzen, deren Energiebilanz positiv ist – die also mehr Energie abwirft, als für die Aufrechthaltung der speziellen Bedingungen aufgewendet werden muss. Dabei liest sich das Rezept eigentlich so einfach: Man bringe die Kerne zweier schwerer Wasserstoffisotope – Deuterium und Tritium – so nahe zusammen, dass sie zu Heliumkernen verschmelzen. Leichter gesagt als getan, denn dazu muss der Wasserstoff extrem komprimiert und erhitzt werden. Bei derart hohen Temperaturen sind die Atomkerne vollständig von ihren Elektronen getrennt und bilden ein Plasma.

Zwar gelang es tatsächlich in einigen Forschungsreaktoren in England und den USA, solche magnetisch gefangenen Plasmen zu zünden, doch war hierbei die zur Zündung aufgewandte Energie viel größer als die frei werdende Fusionswärme. Denn mindestens 100 Millionen Grad Celsius braucht es, damit sich die Fusionsreaktion selbst tragen kann.

Aber schon Anfang der siebziger Jahre haben Forscher in den USA eine Alternative zu diesem magnetischen Plasmaeinschluss entwickelt: Ihre Idee war es, kleine Brennstoffkügelchen (Pellets) mittels Strahlung – beispielsweise von leistungsfähigen Lasern – entsprechend stark zu verdichten. Mit diesem Prinzip des so genannten Trägheitseinschlusses hatte man zuvor schon erfolgreich eine Kernfusion in Gang gesetzt – allerdings unkontrolliert, in Form der Wasserstoffbombe. Bei ihr sorgt die Explosion einer Atombombe für die nötige Kompression des Wasserstoffs.

Dass es prinzipiell auch anders geht, zeigten unter anderem Ryosuke Kodama und seine Kollegen von der Osaka University [1]. Die Forscher erreichten den Trägheitseinschluss mit Lasern, wobei ihre Methode der schnellen Zündung (fast-ignition) die beiden Prozesse Kompression und Entzündung voneinander trennte. Denn in einem ersten Schritt strahlten zwölf im Pikosekundentakt gepulste Laser auf das Pellet, um es zu verdichten. Erst im zweiten Schritt sorgte ein hundert Terawatt starker Laserpuls für die Zündung – fast zumindest, denn die Leistung reichte zunächst nur aus, einen kleinen Teil der Deuteriumkerne zu verschmelzen. Von Selbsterhaltung konnte jedoch noch keine Rede sein.

Den Forscher ging es in ihrem damaligen Experiment aber auch zunächst nur darum, die Tauglichkeit ihrer Apparatur zu beweisen. Denn abweichend von ähnlichen Versuchen, bei denen Laserstrahlung zur Verdichtung von Deuterium-Pellets dienten, saß hier der schwere Wasserstoff eingebettet in ein Polystyrol-Kügelchen auf der Spitze eines hohlen Goldkegels. In diesen Kegel schoss nach der Kompression der Terawatt-Laserpuls und setzte dort hochenergetische Elektronen frei, die schließlich das implodierende Kügelchen erhitzten.

Jetzt ließen die Forscher um Kodama erneut die Laser blitzen, doch stand ihnen mit einem gepulsten 0,5-Pettawattlaser nun eine ganz andere Leistungsklasse zur Verfügung [2]. Wenngleich auch jetzt die Temperaturen noch nicht hoch genug waren, die Fusion dauerhaft in Gang zu setzen, so kamen die Forscher diesem Ziel doch ein gutes Stückchen näher. Denn waren es 2001 noch knapp 4,5 Millionen Grad Celsius, so erreichten die Wissenschaftler in diesem Jahr schon gute neun Millionen Grad. Das ist zwar immer noch weit entfernt von den geforderten hundert Millionen Grad, aber Kodama und sein Team zeigen sich zuversichtlich, dass schon 10 bis 20 Pikosekunden andauernde Laserpulse, die nötige Startenergie liefern könnten.

Zur Zeit strahlt der Heizpuls nur 0,6 Pikosekunden lang. Dass man sich immerhin auf dem richtigen Weg befindet, zeigt die Neutronenausbeute, die bereits von der Fusion von Deuterium zu Helium kündet: Sie hat sich durch das Laserheizen etwa um den Faktor tausend vergrößert. Im Vergleich zu den Verfahren, die auf den magnetischen Einschluss setzen, verspricht der Trägheitseinschluss à la fast-ignition deutlich günstiger zu sein. Denn ein Petawattlaser und die sonstige Ausrüstung sind wesentlich preiswerter als die ansonsten riesigen Fusionsreaktoren.