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Fusionsforschung : Warten auf die Zündung

  • -Aktualisiert am

Die Reaktionskammer der National Ignition Facility Bild: Lawrence Livermore National Laboratory

Die National Ignition Facility in Kalifornien ist die bisher größte Anlage zur Trägheitsfusion. Die Energie für die Kernverschmelzungen wird in ihr durch den Laserbeschuss von speziell präparierten Pellets mit eingelagertem Deuterium und Tritium erreicht.

          Die Sonne im Labor zu bändigen - das ist das Ziel der Fusionsforscher. Und das bedeutet: die kontrollierte Kernfusion in den Griff zu bekommen. Wenn die schweren Isotope des Wasserstoffs, Deuterium und Tritium, einem genügend hohen Druck und einer genügend hohen Temperatur ausgesetzt sind, verschmelzen sie zu Helium, und große Mengen an Energie werden frei.

          Übersteigen diese die für den Betrieb der Fusionsanlage notwendige Energie, was als Zündung bezeichnet wird, ist eine der Voraussetzungen für ein Fusionskraftwerk geschaffen. Am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien ist am Freitag eine Fusionsanlage übergeben worden, mit der die Zündung im kommenden Jahr erreicht werden soll - die vor kurzem fertiggestellte National Ignition Facility.

          Implosion statt Plasma

          Die "herkömmlichen" Fusionsanlagen arbeiten nach dem Prinzip des magnetischen Einschlusses. Dabei wird ein heißes Plasma durch ein starkes Magnetfeld zusammengehalten. Man kann dann im Prinzip durch Zufuhr von Energie die Temperatur und die Dichte des Plasmas erhöhen, bis die Bedingungen für die Fusion vorhanden sind.

          Bei der Trägheitsfusion, wie sie in der National Ignition Facility genutzt wird, bestrahlt man ein kleines Kügelchen ("Pellet") mit eingelagertem Deuterium und Tritium und bringt es zur Implosion, wodurch die erforderlichen Dichten und Drücke erreicht werden. Wollte man das Verfahren für ein Fusionskraftwerk nutzen, müsste man jedoch laufend mit großer Geschwindigkeit Pellets nachliefern.

          Insbesondere bei der Laserfusion, bei der die Energie von Laserstrahlen geliefert wird, stieße man, selbst wenn man das könnte, schnell an schwer zu überwindende Grenzen. Zwischen zwei Laserschüssen vergeht nämlich bislang viel zu viel Zeit. Mit Schwerionenstrahlen wären die Schwierigkeiten etwas geringer.

          Im Kreuzfeuer der Laser

          Erste Experimente mit der Trägheitsfusion hat es schon in den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts gegeben. Im Laufe der Zeit sind die entsprechenden Anlagen immer gewaltiger geworden. Am stärksten ist seit den neunziger Jahren wohl das militärische Interesse gestiegen; denn mit den in solchen Anlagen möglichen Experimenten kann man die Eigenschaften und das Verhalten von Kernwaffen testen, ohne dass es zur Explosion kommt. Nebenher können die Versuche auch andere - naturwissenschaftliche - Fragen beantworten, etwa bezüglich der Zustände im Innern von Sternen.

          Die National Ignition Facility ist jetzt - zumindest bis in der Nähe von Bordeaux eine ähnliche Anlage, LMJ ("Laser Mégajoule"), fertiggestellt ist - die größte Anlage zur Trägheitsfusion. Sie besteht im Wesentlichen aus 192 Hochleistungslasern, deren mächtige ultraviolette Strahlen in die Reaktionskammer gerichtet werden - eine Kugel mit zehn Metern Durchmesser, deren Oberfläche sich durch die Öffnungen für all die Laserstrahlen auszeichnet.

          Auf die Justierung kommt es an

          In der Reaktionskammer wiederum befindet sich das Pellet, das nur etwa einen halben Zentimeter Durchmesser hat. Beherbergt wird die Anlage, deren 192-strahliger Laser eine Energie von mehr als einem Megajoule erzeugt, in einem Gebäude, das so groß wie ein Fußballstadion ist. Ein Megajoule entspricht der Energie von zehntausend 100-Watt-Glühlampen, die eine Sekunde lang leuchten. Jeder Schuss des Lasers hält allerdings nur 20 Pikosekunden (Billionstelsekunden) an.

          Die 192 Laserstrahlen müssen für die Versuche extrem gleichmäßig auf ihr Ziel gerichtet werden, was jetzt eine monatelange Justierung erfordert. Im Zielzylinder aus Gold und Uran wird mit der Laserenergie, wenn die Anlage schließlich vollständig getestet und im endgültigen Betrieb sein wird, eine Temperatur von etwa zwei Millionen Grad erzeugt. Dadurch schmilzt das eigentliche Pellet, auf dem eine dünne Schicht aus festem Brennstoff aus Deuterium und Tritium aufgebracht ist, und die Kapsel implodiert. Dabei wird das Volumen auf ein Vierzigtausendstel seines Wertes zusammengepresst, und die Dichte des Brennstoffgemisches erhöht sich sprunghaft auf das Tausendfache. Die Temperatur steigt gleichzeitig auf das Zehnfache des Wertes im Sonneninnern.

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