Energieforschung: Ein weiterer Schritt zum Fusionsreaktor

Mit der Fusion von Atomkernen liesse sich theoretisch viel Energie gewinnen. Forscher mühen sich seit Jahrzehnten damit ab. Nun ist einem Team in den USA ein wichtiger Fortschritt gelungen. Doch bis zu einem Kraftwerk ist der Weg immer noch weit.

Eine Kugel aus Brennstoff in einem Hohlraum, beleuchtet von vielen Laserstrahlen. Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: Im Kreuzfeuer der Laser-Kanonen: Eine kleine Kugel mit Brennstoff (weiss) im Hohlraum des Labors. (Illustration) National Ignition Facility

Die Sonne leuchtet, weil sie eine Art Kraftwerk ist: ein Fusionskraftwerk, in dessen Innerem fortwährend leichte Atomkerne zu schwereren Atomkernen verschmelzen. Dabei wird enorm viel Energie frei, in Form von Strahlung.

Zusatzinhalt überspringen

Mit militärischen Mitteln

Die National Ignition Facility ist eine grosse Laser-Anlage am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien. Unterstützt wird sie unter anderem vom amerikanischen Militär, denn die Kernfusion mit Hilfe von Lasern ist auch für die Entwicklung von Waffen interessant. Eine ähnliche Laser-Anlage wird zur Zeit in Frankreich gebaut.

Sich diese Art der Energiegewinnung nutzbar zu machen, ist das Ziel vieler Forscher. Sie verfolgen dabei zwei verschiedene Wege: Die einen setzen auf eine Technik mit Hochleistungsmagneten, um den Brennstoff zu bändigen – zum Beispiel am geplanten Experiment ITER in Frankreich. Die anderen arbeiten hingegen mit Lasern, etwa die Gruppe von der National Ignition Facility in den USA.

Mehr Energie raus als rein

Dieser Gruppe aus den USA ist nun ein wichtiger Fortschritt gelungen: Erstmals haben sie in ihrem Labor mehr Energie aus dem fusionierenden Brennstoff herausbekommen, als sie mit den Lasern in den Brennstoff hineingesteckt haben. Das berichten sie in der neusten Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature».

Zählt man alle Energieverluste hinzu, ist die Bilanz aber noch immer deutlich negativ: Das heisst: Netto erzeugen die Forscher noch keine Energie – zum Beispiel, weil die Versuchsanlage sehr viel Wärme abgibt und damit verliert.

Raffinierte Rückstoss-Methode

Der Brennstoff im Experiment besteht aus zwei schweren Formen von Wasserstoff: aus Deuterium und dem radioaktiven Tritium. Er befindet sich in einer etwa zwei Millimeter grossen Kugel und diese wiederum in einem kleinen Zylinder.

Kleiner Metallblock mit gelbem Fensterchen. Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: Winzige Probe: Eine kleine Kugel mit Brennstoff sitzt in einem Metallzylinder. National Ignition Facility / Eddie Dewald

Diesen Zylinder mit der Brennstoff-Kugel in der Mitte beschiessen die Forscher nun mit 192 starken Laserstrahlen. Daraufhin wird die Hülle der Kugel so heiss, dass sie extrem schnell verdampft.

Der Rückstoss durch dieses «Abplatzen» drückt den Brennstoff im Innern der winzigen Kugel zusammen; die Kerne von Deuterium und Tritium verschmelzen. Heraus kommen Helium-Kerne, Neutronen und die erwünschte nutzbare Energie.

«Zündung» als Ziel

Damit der ganze Prozess möglichst effizient funktioniert, muss der Rückstoss rund um die Kugel überall gleich sein. Damit hatten die Forscher lange Zeit keinen Erfolg. Ihr Experiment funktionierte nicht wie vorgesehen und sie wussten nicht weshalb. So erzählte es der Hauptautor der Studie, Omar Hurricane, am Montag an einer Telefon-Pressekonferenz. Dann aber veränderten die Forscher das Energieprofil der Laser leicht, und die Fusion funktionierte planmässig.

Nun versuchen die Forscher aus den USA, das Experiment weiter zu verbessern. Ihr Ziel ist die «Zündung» – ein Zustand, in dem die Helium-Kerne genug Energie in den Brennstoff bringen, dass die Fusion auch ohne Laser weiter läuft. Bis dahin sei es aber noch ein weiter Weg, meint Hurricane.

Lob von der Konkurrenz

Zusatzinhalt überspringen

Das Thema im Radio

Einen Beitrag zu der Neuigkeit in der Fusionsforschung hören Sie am Samstag, 15. Februar, auf Radio SRF 2 Kultur. Im Wissenschaftsmagazin ab 12:35 Uhr.

Trotzdem ist das neue Resultat von der National Ignition Facility (NIF) beachtlich. Das sagt auch der Fusions-Forscher Minh Quang Tran von der ETH Lausanne. Die Forschergemeinde habe auf so ein Resultat gewartet: «Es ist eine wissenschaftlich sehr gute Arbeit.»

Tran gehört zur Konkurrenz des NIF-Teams, denn er setzt bei der Fusion auf die Technik mit Magneten. Dabei sind es extrem starke Magnetfelder, die den Brennstoff, der hier als «eingezwängtes» heisses Gas vorliegt, zusammenhalten und zusammenführen (siehe Video unten).

Welches Verfahren setzt sich durch?

Die beiden Fusions-Techniken lassen sich kaum vergleichen; so unterschiedlich ist das Design. Doch allgemein gelte die Magnet-Technik als vielversprechender als die Technik mit Lasern, sagt Tran. Um bei der Laser-Technik tatsächlich Strom zu produzieren, müssten pro Sekunde etwa 20 Implosionen von Brennstoff-Kugeln aufeinander folgen. Und dieses Ziel liegt noch in weiter Ferne.

Allerdings ist auch die Magnet-Technik noch längst nicht marktreif. Das erste Demonstrationskraftwerk soll 2050 in Betrieb gehen. Ob dieser Termin eingehalten werden kann, steht in den Sternen. Klar ist aber: Der Traum von der Kraft der Sonne ist noch nicht ausgeträumt.

Video «Fusion als Energie-Alternative» abspielen

Fusion als Energie-Alternative

2:34 min, aus Tagesschau vom 18.5.2013