Anzünden der Fusion





Es ist Ende April und Arbeiter montieren die letzten Teile der National Ignition Facility (NIF), einem weitläufigen Gebäude, das die Fläche von drei Fußballfeldern im Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, Kalifornien, bedeckt. Bekleidet mit Schutzhelmen, Haarnetzen, Laborkitteln und Latexhandschuhen haben sie sich in der Zielkammer versammelt, einer Kugel mit einem Durchmesser von 10 Metern und mit 48 Kanälen aus brüniertem Aluminium, die zusammen 192 separate Laserstrahlen aufnehmen. Jeder einzelne Strahl ist einer der stärksten der Welt, sagt Bruno Van Wonterghem, Betriebsleiter bei NIF. Zusammen liefern sie das 50- bis 60-fache der Energie aller anderen Laser.

Die Arbeiter bereiten sich darauf vor, ein wichtiges Gerät – den Zielausrichtungssensor – am Ende eines sich verjüngenden Auslegers zu installieren, der in die Mitte der Kammer ausgefahren werden kann. Mit dem Sensor positionieren die Wissenschaftler einen Goldkanister in der Größe eines Radiergummis in der Mitte der Kugel und richten ihn auf die Laserstrahlen aus. In einer Reihe von Experimenten in den kommenden Monaten werden diese Laser, wenn alles nach Plan verläuft, mit einem Puls von 3 bis 20 Nanosekunden Länge auf den Goldkanister treffen und ein Bad aus hochenergetischen Röntgenstrahlen erzeugen. Diese wiederum lassen ein zwei Millimeter großes Pellet mit Wasserstoffisotopen implodieren. All diese kinetische Energie wird in Wärme umgewandelt, sagt Van Wonterghem. Das Wasserstoffpellet erreicht eine Temperatur von 100 Millionen °C und eine Dichte, die 100-mal höher ist als die von Blei – genug, um eine Fusionsreaktion auszulösen.

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Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2009



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Fusion, bei der sich Atomkerne zu Atomen eines neuen Elements verbinden, ist die Schlüsselreaktion, die Atombomben und die Sonne antreibt. (In den NIF-Experimenten verbinden sich Wasserstoffisotope zu Heliumkernen, während sie Neutronen und Röntgenstrahlen freisetzen.) Es wurde auch lange Zeit als potenzielle Energiequelle im Überfluss gehalten, wenn die Reaktionen nur in einer kontrollierten Umgebung genutzt werden könnten. Das ist eine Herausforderung, denn ein Plasma, das heiß genug ist, damit Wasserstoffkerne darin verschmelzen, ist so heiß, dass es jegliches Eindämmungsmaterial zerstören würde. Wissenschaftler haben sich zwei allgemeine Lösungen ausgedacht. Die erste und gängigste Methode besteht darin, das Plasma in einem starken elektromagnetischen Feld einzuschließen. Das soll bei dem multinationalen 14-Milliarden-Dollar-Projekt ITER in Frankreich geschehen, das bis 2018 betriebsbereit sein soll.

NIF geht einen grundlegend anderen Weg. Durch die Verwendung von Lasern zum Komprimieren des Wasserstoffbrennstoffs wird die extreme Hitze und Dichte im Inneren eines Sterns nachgeahmt. Die resultierende Fusionsreaktion wird nicht durch elektromagnetische Eingrenzung, sondern durch Begrenzung der Brennstoffmenge kontrolliert. NIF wird eine winzige thermonukleare Explosion erzeugen, die so klein ist, dass sie in einer 10-Meter-Kammer untersucht werden kann. Tatsächlich besteht die Hauptaufgabe von NIF darin, die Hochtemperatur- und Hochdichtephysik, einschließlich der Reaktionen in Kernwaffen, durch die Wiederherstellung der Bedingungen in Sternen und Bomben zu beleuchten.

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Forscher diskutieren, welcher Ansatz für die Stromerzeugung am nützlichsten ist; bisher ist es noch zu früh um sicher zu sein. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass NIF die erste Anlage sein wird, die einen bedeutenden Meilenstein auf der Suche nach laserbasierter Fusionsenergie erreicht: die Zündung einer sich selbst erhaltenden Reaktion, die mehr Energie produziert, als vom Laser zugeführt wurde. Frühere Experimente und Computersimulationen deuten darauf hin, dass die 192 Laser am NIF leistungsstark und präzise genug sind, um eine solche Kettenreaktion auszulösen – eine, die weiter brennt, bis der Wasserstoff als Brennstoff aufgebraucht ist.



Bis die Fusion zur Stromerzeugung genutzt werden kann, sind noch große Herausforderungen zu bewältigen. Aber das Erreichen einer kontrollierten Fusionsverbrennung wird ein unglaubliches Ereignis sein, sagt Edward Moses, ein Principal Associate Director bei Livermore, der für NIF verantwortlich ist. Wir denken, wir kommen in eine neue Ära.

Abfeuernde Laser
Das Entzünden der Fusion wird nicht einfach sein. Es erfordert eine Einrichtung, die enorme Energiemengen lenken kann, sie aber so präzise steuert, dass sie auf Ziele im Mikrometerbereich ausgerichtet werden kann. Das, sagt Ian Hutchinson, Professor für Nuklearwissenschaften und -technik am MIT, wird eine unglaublich beeindruckende technologische Errungenschaft sein.

Am selben Nachmittag, als Techniker an der Installation des Zielausrichtungssensors arbeiteten, haben sich andere im Kontrollraum der Einrichtung mit seinen großen Bildschirmen und Gruppen von Workstations versammelt. Sie bereiten sich auf einen Testschuss des Lasers vor, abzüglich der Fusionskugel; Als Sicherheitsvorkehrung ist es für die Nacht geplant, nachdem die Laserbuchten und die Zielkammer der Anlage von Arbeitern geräumt wurden.



Das Abfeuern des Lasers erfordert das Einstellen von 60.000 verschiedenen Kontrollpunkten. Die Abfolge von Ereignissen, die den Laserpuls an das Ziel liefern, ist für eine menschliche Kontrolle zu komplex, sagt Van Wonterghem. Nachdem die Einstellungen ausgewählt wurden, übernimmt ein Netzwerk von 1.500 Computern und führt den letzten Countdown mit den Händen der Forscher durch in der Nähe der vielen Not-Aus-Tasten schweben, die im ganzen Raum verteilt sind.

Wenn alles funktioniert, werden die Laser einen Puls mit einer Leistung liefern, die 500-mal höher ist als die maximale Stromerzeugungskapazität der Vereinigten Staaten. Der Impuls wird die thermonukleare Explosion entzünden – im Wesentlichen entsteht ein winziger Stern.

Einschalten
Bis ein solches Verfahren zur Stromerzeugung genutzt werden kann, bleiben noch erhebliche Hürden. Es wird erwartet, dass die Fusionsreaktionen das 10- bis 20-fache der von den Lasern gelieferten Energiemenge erzeugen. Dabei ist jedoch die Energie, die für die Herstellung der Laser benötigt wird, noch nicht berücksichtigt: Die Umwandlung von Elektrizität in Laserlicht ist ein ineffizienter Prozess. Um die verschwendete Energie auszugleichen und genug zusätzliche Energie zu erzeugen, um Strom zu erzeugen, wären Fusionsreaktionen erforderlich, die etwa das 100-fache der von den Lasern gelieferten Energie erzeugen.



In einem überfüllten Büro in der Nähe von NIF sagt Moses, dass es mindestens zwei Möglichkeiten gibt, dieses Problem zu umgehen. Eine erfordert die Kombination zweier Laserpulse in einem Prozess, der als schnelle Zündung bezeichnet wird. Theoretisch könnte dies die Menge an Laserenergie reduzieren, die zum Zünden einer anhaltenden Reaktion benötigt wird. NIF ist jedoch derzeit nicht dafür eingerichtet; Dieser Ansatz wird von anderen Laserfusionsprojekten, die derzeit im Bau sind, und möglicherweise auch von NIF verfolgt.

Der andere Ansatz, sagt Moses, besteht darin, Fusion mit Kernspaltung zu kombinieren, der Reaktion, die in konventionellen Kernkraftwerken verwendet wird. Diese Option bietet nicht die gleiche Aussicht auf nahezu unbegrenzte Energie wie die Fusion allein, aber sie könnte die Energiemenge, die aus Uran gewonnen werden kann, um Größenordnungen erhöhen und diese bereits reichlich vorhandene Brennstoffquelle erheblich verbessern. Gleichzeitig könnte es den Haupteinwand gegen die Kernspaltung beseitigen, indem fast alle langlebigen radioaktiven Abfälle beseitigt werden, die normalerweise produziert werden. Im Moment bekommen wir nur ein halbes bis 1 Prozent der verfügbaren Energie, sagt Moses. Wir können über 99 rausholen.

Die Forscher des NIF haben einen detaillierten Konzeptplan für die Paarung von Fusion und Spaltung entwickelt. Der Grund, warum Kernreaktoren nur einen Bruchteil der Energie von Uran verbrauchen, liegt darin, dass sich Reaktionsprodukte ansammeln und schließlich die Kettenreaktionen stören, die zur weiteren Stromerzeugung erforderlich sind. Die Fusion kann einen Neutronenstrom liefern, der diese Reaktionen am Laufen hält und fast die gesamte Energie des Brennstoffs verbraucht.

Sicherlich sind sich nicht alle einig, dass laserbasierte Fusionsenergie funktionieren wird. Und einige Skeptiker bezweifeln, dass insbesondere NIF eine autarke Fusion erreichen kann, da die Anlage keine ausreichend hochenergetischen Laserpulse erzeugen kann, ohne entweder die Laseroptik zu beschädigen oder den engen Fokus auf das Ziel zu verlieren, der erforderlich ist, um den Brennstoff gleichmäßig zu komprimieren. Selbst wenn die Anlage eine nachhaltige Fusion erreicht, würde die Stromerzeugung in einem Kraftwerk Laser erfordern, die 10 bis 15 Mal pro Sekunde ein neues Brennstoffpellet zünden könnten. Die zwischen den Schüssen zu kühlenden NIF-Laser dürfen höchstens alle zwei bis vier Stunden gezündet werden. Auch wenn NIF so erfolgreich ist wie erhofft, werden sie noch lange nicht in der Lage sein, daraus eine praktische Energiequelle zu machen, sagt Hutchinson.

NIF hat bereits einige Erfolgsspuren gesehen. Anfang dieses Jahres wurden alle 192 Laser gleichzeitig abgefeuert und erreichten Energieniveaus, die ausreichen, um die Fusion zu zünden. Dennoch sollten frühere Laserprojekte in Livermore eine Fusionszündung erreichen und taten es nicht. Obwohl seither viel gelernt wurde, gibt es keine Garantie, dass es diesmal funktioniert. Die gute Nachricht ist, dass es nicht mehr lange dauern wird, bis die Forscher es wissen: Nach einer Reihe von Testaufnahmen hoffen sie auf einen Erfolg innerhalb der nächsten zwei Jahre. Wir freuen uns auf einige Ergebnisse, sagt Hutchinson.

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