Neue Zündmethode soll Fusionsenergie günstiger machen

2022 erreichten Forscher*innen einen Meilenstein in der Kernfusion. Erstmals wurde von der National Ignition Facility (NIF) mehr Energie durch die Fusion generiert als für den Start der Fusion nötig ist. Jetzt wurde die Methode verbessert, mit der die Fusion gestartet wird. Das könnte künftig Geld und Ressourcen sparen, berichten Forscher*innen der Universität Rochester und des Laboratory for Laser Energetics (LLE).

Bei der Kernfusion werden Atomkerne bei extrem heißen Temperaturen miteinander verschmolzen. Dabei werden enorme Mengen Energie freigesetzt. Um die über 100 Millionen Grad Celsius zu erreichen, die dafür nötig sind, gibt es verschiedene Ansätze. Einer davon ist die Trägheitsfusion, bei der ein Laser die Kernfusion startet.

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Eine Million Goldzylinder pro Tag

Das NIF nutzt zum Starten der Kernfusion das Prinzip Indirect Drive. Ein starkes Lasersystem wird von allen Seiten auf einen Zylinder aus Gold gerichtet, der in etwa die Größe eines Radiergummis hat. In dem Zylinder befindet sich ein Behälter, in dem wiederum der Brennstoff für die Fusion ist. Der Goldzylinder wird durch die Laser beschossen. 

Dabei entstehen Röntgenstrahlen, die den Brennstoffbehälter komprimieren. Dies muss perfekt gleichmäßig geschehen – schon die geringste Unregelmäßigkeit könnte dazu führen, dass die Temperatur abfällt. Deshalb wird Gold als Material für den Außenzylinder verwendet. Denn das Gold sorgt dafür, dass sich die Hitze besonders gleichmäßig verteilt.

Durch die enorme Hitze verdampft der Brennstoffbehälter und der Brennstoff implodiert. Das ist stark genug, um die Atomkerne zu verschmelzen und explosionsartig Energie abzugeben.

Direkter Beschuss macht Gold überflüssig

Das Problem: Ein Fusionskraftwerk mit 1GW-Leistung würde mit dieser Methode etwa eine Million solcher Goldzylinder pro Tag verbrennen. In ihrem neuen Versuch haben es das Team der Universität Rochester und des Laboratory for Laser Energetics (LLE) geschafft, auf die Goldhülle zu verzichten.

Dafür müssen die Laserstrahlen Energie exakt gleichmäßig abgeben, um das gleiche Maß an Symmetrie zu erhalten, wie mit der Goldhülle. Das ist gelungen, in dem das Lasersystem OMEGA für die höhere Präzision optimiert wurde. Auch die Brennstoffbehälter wurden für den direkten Laserbeschuss angepasst.

Mit seinen 28 Kilojoule Leistung kann OMEGA so kleine Brennstoffkapseln zum Implodieren bringen. Das ist der Beweis dafür, dass die Zündungsmethode Direct Drive funktioniert. Der Laser ist aber zu schwach, um brennendes Plasma zu erzeugen. Das ist nötig, damit bei der Trägheitsfusion die Masseträgheit den Brennstoff zusammenhält, bis der großteils abgebrannt ist. Das geschieht innerhalb von Nanosekunden.

(Noch) kein Energieüberschuss

Für den Meilenstein 2022 kam der 2.000-Kilojoule-Laser der National Ignition Facility (NIF) zum Einsatz. Die Forscher*innen rechneten die Ergebnisse, die mit OMEGA erzielt wurden, hoch. Demnach würden sie mit dem NIF-Laser, angepasst für die goldfreie Direct-Drive-Zündung, bis zu 1,6 Megajoule produzieren. Dafür wäre allerdings ein Laserimpuls mit 2,15 MJ nötig. 

Damit wäre aktuell kein Energieüberschuss gewonnen, was das Ziel der Kernfusionsforschung ist. Schließlich will man ja mit Fusionskraftwerken Strom erzeugen und nicht Strom verbrauchen. Zum Vergleich: Beim Meilenstein 2022 wurden mit 2 MJ Aufwand mittels Indirect-Drive-Zündung 3 MJ Energie erzeugt.

Die Forscher*innen glauben aber, dass sie dieses Problem durch weitere Verbesserungen im Versuchsaufbau lösen können, heißt es in einem Statement. Die Vorteile einer direkten Zündung gegenüber einer indirekten Zündung mit Goldhülle seien groß genug, um den Ansatz weiter zu verfolgen. Insbesondere ist die Methode deutlich ressourcensparender. Die Studienergebnisse erschienen im Fachmagazin nature.