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Kernphysik & Technologie : Der Weg zum Fusionsreaktor bleibt steinig

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So hübsch designt kann Fusionstechnik sein: der „Large Helical Device” des National Institute for Fusion Science in Japan Bild: Foto NIFS

Durch Kernverschmelzung Energie zu gewinnen, ohne Kohlendioxidproduktion oder nennenswerte Mengen an radioaktiver Strahlung, das verspricht der Fusionsreaktor. Die zu überwindenden Schwierigkeiten sind groß, doch der Erfindungsreichtum der Wissenschaftler und Techniker ist es auch.

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          Allein aus Wasserstoff und Lithium große Mengen an Energie zu produzieren, ohne dabei Kohlendioxid zu emittieren oder nennenswerte Mengen an langlebigen radioaktiven Abfällen zu erzeugen, das verspricht die Kernfusion. Dass diese Vision nicht völlig abwegig ist, führt uns jeden Tag die Sonne vor Augen, in der Energie durch Kernfusion freigesetzt wird. Will man hier auf Erden Wasserstoffkerne miteinander zu Heliumkernen verschmelzen, muss man zunächst einen Weg finden, den heißen Brennstoff von seiner Umgebung zu isolieren.

          Es gehe darum, die Sonne in eine Schachtel zu verpacken, wie der französische Physiker Sébastien Balibar treffend bemerkte, nur wisse noch niemand, wie die Schachtel zu konstruieren sei. Das ist in der Tat eine schwierige Aufgabe, denn das Plasma, in dem die Fusionsreaktionen ablaufen sollen, muss mit rund 150 Millionen Grad sogar etwa zehnmal so heiß sein wie die Sonne, soll es den niedrigeren Druck kompensieren. Ein solches Plasma kann nur in einer Art Thermosflasche aufbewahrt werden, in der das Plasma von komplizierten Magnetfeldern im Vakuum gehalten wird.

          Plasma im Magentkäfig

          Ein vielfach erprobtes Verfahren, ein Plasma im Magnetkäfig einzufangen, ist in den Reaktoren des sogenannten Tokamak-Typs realisiert. Das Plasma, ein Gas von geladenen Teilchen, befindet sich dabei in einem Torus, der von Magnetspulen umwickelt ist. Der Tokamak hat außerdem eine zentrale Magnetspule, die starke Strompulse im Innern des Plasmas erzeugt. Diese bauen ihrerseits das Magnetfeld auf, das das Plasma letztlich gefangen hält: Die schnellen geladenen Teilchen erzeugen also einen Teil ihres eigenen Magnetkäfigs.

          Fusionsanlage vom Typ Tokamak: Der „Asdex Upgrade” des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik

          Der erste Fusionsreaktor, der - sofern alles nach Plan geht - mehr Energie produzieren soll, als für das Heizen des Plasmas verbraucht wird, wird nach diesem Prinzip konstruiert. Die Vorbereitungen für den Bau am Standort in Cadarache (Südfrankreich) haben begonnen, und 2018 soll die Anlage fertiggestellt sein. Der Projektname Iter stand ursprünglich für "Internationaler thermonuklearer experimenteller Reaktor", aber mittlerweile will man Iter nur noch in der lateinischen Bedeutung als "der Weg" verstanden wissen.

          Herausforderungen für die Materialforschung

          Dieser Weg zu einem Fusionskraftwerk ist jedoch noch weit. Eine der größten Schwierigkeiten besteht darin, das Plasma im Magnetkäfig zu stabilisieren. Forschern um Yijun Lin am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist es jetzt gelungen, das Plasma in ihrem Testreaktor Alcator C-Mod durch das Heizen mit Radiowellen in gleichmäßige Rotation zu versetzen. So können die Wissenschaftler Turbulenzen innerhalb des Plasmas vermeiden. Zudem soll die Rotation mit verhindern, dass Teilchen in Kontakt mit den Reaktorwänden kommen. Wie die Gruppe in der Zeitschrift "Physical Review Letters" (Bd. 101, Nr. 235002) schreibt, könnte das Verfahren auch im Reaktor Iter erlauben, die Plasmarotation von außen zu steuern; denn Alcator C-Mod und Iter sind sich im Aufbau verhältnismäßig ähnlich. Das würde die Kontrollierbarkeit des heißen Gases erheblich verbessern.

          Nicht nur die Stabilität des Plasmas ist eine technische Herausforderung, auch in der Materialforschung sind noch viele Fragen offen. Ähnlich wie die Kernspaltung setzt die Kernfusion Bindungsenergie frei, also die Energie, die die Nukleonen - Protonen und Neutronen - durch den Zusammenhalt im Atomkern gewinnen. Bei den leichten Kernen nimmt die Bindungsenergie pro Nukleon mit steigender Anzahl Nukleonen zu, bis hin zum Element Eisen; bei den schwereren Kernen nimmt sie wieder ab.

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