Die Kernfusion gilt als potenzielle Energie der Zukunft, doch bis zu effizient funktionierenden Fusionskraftwerken ist es noch ein weiter Weg. Ein wichtiger Schritt dahin ist nun jedoch Physikern in den USA gelungen: Sie haben bei einem Laserfusions-Experiment erstmals mehr Energie durch die Fusion von Deuterium- und Tritiumkernen erzeugt, als zuvor zum Aufheizen des Fusionsbrennstoffs aufgewendet werden musste. Es ist das erste Mal, dass ein solcher Netto-Energiegewinn in einem Fusionsreaktor erreicht wurde. In der Fusionskammer der National Ignition Facility erreichten sie zudem eine Zündung des Fusionsplasmas und damit eine sich selbst erhaltende Fusionsreaktion – wenn auch nur für Sekundenbruchteile.
Sie lässt Sterne wie unsere Sonne leuchten: Die Kernfusion setzt enorme Mengen an Energie in Form von Wärme und Strahlung frei. Sie gilt daher schon länger als vielversprechende Möglichkeit, Strom und Wärme auf effiziente und klimaverträgliche Weise zu erzeugen. Um Atomkerne zur Verschmelzung zu bringen, sind allerdings enorme Temperaturen und Drücke nötig, die in irdischen Anlagen nur schwer zu erzeugen sind. Zurzeit werden dafür unterschiedliche Technologen erforscht und getestet. Testreaktoren wie Wendelstein-7X, Jet und der im Bau befindliche Großreaktor ITER schließen eine größere Menge Wasserstoff oder Deuterium-Tritium-Plasma mithilfe von starken Magnetfeldern ein und heizen sie auf. Ein anderer Ansatz ist die Trägheitseinschluss-Fusion, bei der eine kleine Menge Fusionsbrennstoff durch intensiven Laserbeschuss aufgeheizt und komprimiert wird. Diese Fusionstechnologie wird unter anderem an der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory (LLN) in Kalifornien getestet.
192 Laser und ein winziges Ziel
Jetzt ist den Physikern am NIF bei der Laserfusion ein wichtiger Durchbruch gelungen: Bei einem Experiment am 5. Dezember 2022 hat die Anlage erstmals eine Fusionsenergie von 3,15 Megajoule erzeugt – und damit nicht nur die Fusion im winzigen Pellet des Brennstoffs, sondern auch mehr Energie freigesetzt als die 2,05 Megajoule, die zuvor durch den Laserbeschuss des Fusionsbrennstoffs aus Deuterium und Tritium eingebracht wurden. Damit hat die Kernfusion erstmals einen Netto-Energiegewinn erzielt – dies gilt als Meilenstein für die Fusionsforschung. „Die Zündung der Kernfusion ist eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen, die die Menschheit je angegangen ist“, sagt Kim Budil, Direktor des Lawrence Livermore Laboratory. „Diese Schwelle zu überschreiten, war die Vision, die 60 Jahre der Forschung angetrieben hat.“
Um diesen Durchbruch zu erzielen, nutzten die Physiker 192 leistungsstarke Laser, deren konzentrierte Strahlen über Dutzende meterlange Optiken und Verstärker in energiereiche UV-Pulse umgewandelt wurden. Dieses UV-Licht wird auf einen rund einen Zentimeter langen goldbeschichteten Zylinder, den sogenannten Hohlraum, gerichtet. Dort erzeugen die Laserstrahlen durch Wechselwirkung mit den Innenwänden starke Röntgenstrahlung, die auf die wenige Millimeter große Brennstoffkapsel trifft. Sie enthält ein Gemisch aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium und wird durch die intensive Strahlung aufgeheizt und komprimiert. Dadurch entsteht im Zentrum des Fusionsbrennstoffs hoher Druck und eine Temperatur von mehr als 120 Millionen Grad Celsius. Dies wiederum löst die Fusion von Wasserstoff zu Helium aus. Bei dieser Fusionsreaktion wird Energie in Form von Teilchen und Wärme freigesetzt.
Weiter Weg bis zum Fusionskraftwerk
Im aktuellen Experiment reichte die Kombination der durch die Laser eingebrachten Energie und der Fusionsenergie aus, um die winzige Plasmamenge in der Brennstoffkapsel zur Zündung zu bringen. Für wenige Sekundenbruchteile fand dadurch eine sich selbst erhaltende Fusionsreaktion statt. Erreicht wurde dieser Fortschritt gegenüber früheren Experimenten unter anderem durch eine Anpassung der Hohlraum-Form, die eine gleichmäßigere und intensivere Bestrahlung der Brennstoffkapsel ermöglichte. Trotz dieses wichtigen Durchbruchs ist aber auch die Fusionsanlage der National Ignition Facility noch weit davon entfernt, mit der Kernfusion nutzbaren Strom zu erzeugen. Denn um die 2,05 Megajoule Heizenergie mittels Laser auf den Fusionsbrennstoff zu bringen, mussten mehr als 500 Megajoule an elektrischer Energie für den Betrieb der Laser aufgebracht werden. Insgesamt betrachtet ist die durch die Kernfusion erzeugte Energie daher noch immer erheblich geringer als der Gesamtenergieaufwand für die Anlage. Hinzu kommt: Die NIF-Anlage wird in der Regel einmal pro Tag gezündet, ein Fusionskraftwerk nach diesem Bauprinzip jedoch müsste 10- bis 20-mal pro Sekunde mit hohem Wirkungsgrad zünden.
Quelle: Lawrence Livermore National Laboratory
An der Grenze des Periodensystems
