USA: Durchbruch in der Kernfusion mit Lasern gelungen

Die Kernfusion hat das Potenzial, das Energieproblem der Menschheit zu lösen und könnte als nahezu unbegrenzte saubere und sichere Energiequelle dienen. Der grosse Durchbruch in der weltweiten Fusionsforschung blieb noch verwehrt: Bis anhin haben die Forschenden mehr Energie in ihre Anlagen gesteckt, als die Fusionsreaktion geliefert hat – bei der zwei leichtere Atomkerne zu einem neuen, schwereren Kern verschmelzen und dabei grosse Mengen an Energie freisetzen. Das grosse Ziel der Fusionsforschung ist ein funktionierender Fusionsreaktor: Er muss über längere Zeit ein Vielfaches mehr an Energie liefern, als er verbraucht. Bis dahin ist es noch ein langer Weg.

Neben Grossprojekten wie dem Joint European Torus (JET) im britischen Culham oder dem Internationalen Thermonuklearen Experimentalreaktor (Iter), der im französischen Cadarache in Bau ist, sind viele Privatfirmen und staatliche Forschungszentren aktiv. Ein solches Forschungszentrum ist das LLNL in Kalifornien, das bereits 2021 gute Ergebnisse mit seiner National Ignition Facility (NIF) erzielte und dabei auf Trägheitsfusion setzt. Die NIF ist das weltweit grösste und stärkste Lasersystem. Gemäss LLNL besitzt das NIF die Grösse eines Sportstadiums in das drei amerikanische Footballfelder passen.

Bereits im Vorfeld der Medienkonferenz des DOE vom 13. Dezember 2022 war die Aufregung gross, als bekannt wurde, dass den Forschenden des LLNL ein Durchbruch gelungen ist: Sie haben weltweit erstmals in einem Fusionsexperiment einen Nettoenergiegewinn erzielt und sind damit einen wichtigen Schritt weitergekommen.

«Am 5. Dezember führte ein Team an der NIF des LLNL das erste kontrollierte Fusionsexperiment in der Geschichte durch, das diesen Meilenstein erreichte, der auch als wissenschaftlicher Energiedurchbruch bekannt ist», schrieb das LLNL und präzisierte: «Das LLNL-Experiment übertraf die Fusionsschwelle, indem es 2,05 Megajoule (MJ) Energie an das Target abgab, was zu einer Fusionsenergie von 3,15 MJ führte und zum ersten Mal eine grundlegende wissenschaftliche Basis für die Trägheitsfusionsenergie (IFE) demonstrierte.» Die amerikanische Energieministerin Jennifer M. Granholm liess verlauten: «Dies ist ein Meilenstein für die Forscher und Mitarbeiter der NIF, die ihre Karriere der Verwirklichung der Fusionszündung gewidmet haben, und dieser Meilenstein wird zweifellos weitere Entdeckungen auslösen.»

Ein Meilenstein erreicht, weitere stehen bevor
Bis ein kommerzieller Fusionsreaktor bereitstehe, brauche es aber noch viel wissenschaftliche und technische Entwicklungen, so das LLNL. Vor allem muss ein solcher Reaktor über längere Zeit ein Vielfaches mehr an Energie liefern, als er verbraucht.

Christian Theiler hat dem Nuklearforum Schweiz seine Einschätzung gegeben. Er ist Assistenzprofessor für Plasmaphysik am Swiss Plasma Center der EPFL in Lausanne. «Die NIF hat mit diesen Resultaten einen wichtigen Meilenstein erreicht. Eine grosse Leistung! Dies stimmt optimistisch und zeigt im Allgemeinen, wie die Voraussagbarkeit der Fusion als zukünftige Energiequelle besser und besser wird und wir uns dem Ziel nähern», so Christian Theiler.

Wie funktioniert die Trägheitsfusion?
Bei ihren Trägheitsfusionsexperimenten setzen die LLNL-Forschenden Hochleistungslaserstrahlen der NIF ein, die den Fusionsbrennstoff komprimieren und die Fusionsreaktion initiieren. Laut NIF können mit dem Laser Temperaturen im Fusionstarget von mehr als 100 Millionen °C und Drücke von mehr als 100 Milliarden Erdatmosphären erreicht werden. «Diese extremen Bedingungen führen dazu, dass Wasserstoffatome im Target verschmelzen und in einer kontrollierten thermonuklearen Reaktion Energie freisetzen», so das NIF.

Wie das Prinzip der Trägheitsfusion genau funktioniert, hat Prof. Justin Wark, Professor für Physik an der Universität Oxford und Direktor des Oxford Centre for High Energy Density Science, gegenüber sciencemediacentre.org erklärt. Als Brennstoff dient schwerer Wasserstoff (Deuterium, ²H) und überschwerer Wasserstoff (Tritium, ³H). «Das LLNL verwendet den grössten Laser der Welt, um schweren Wasserstoff auf Bedingungen zu komprimieren, die denen im Zentrum der Sonne ähneln. Die Laser dringen in die Enden eines zentimetergrossen Zylinders ein und treffen auf dessen Innenwände, die dadurch enorm heiss werden und Röntgenstrahlen aussenden», liess Professor Wark verlauten.

Weiter erklärte er: «Diese Röntgenstrahlen erhitzen dann eine Kugel in der Mitte [des Zylinders], die den Brennstoff enthält. Die Aussenseite der Kugel verdampft und wird zu einem Plasma, das sich von der Oberfläche löst und eine implodierende ‹Kugelrakete› erzeugt, die in wenigen Milliardstel Sekunden Geschwindigkeiten von etwa 400 Kilometern pro Sekunde erreicht.» Der anschliessende «Knall» im Zentrum der Kugel sei darauf ausgerichtet, dass in der Mitte ein heisser Funke entstehe, und die Dichte des komprimierten Brennstoffs, der den Funken umgebe, so gross sei, dass die Kernfusionsreaktion in etwa einer Zehntelmilliardstel Sekunde ablaufe - schneller, als die winzige heisse Kugel auseinanderfliegen könne. «Sie [die Kugel] wird also durch ihre eigene Trägheit eingeschlossen, weshalb diese Fusionsmethode als Trägheitsfusion bezeichnet wird», so Wark.