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Ausblick

Plasmaeinschluss über die Trägheit

Eine magnetfeldfreie Art Kernfusion zu erreichen ist der sogenannte Trägheitseinschluss. Hierbei wird ein gefrorenes Deuterium-Tritium-Kügelchen, das meist von einer gefrorenen Deuteriumhülle umgeben ist, von möglichst vielen Seiten mit hochenergetischen Lasern oder Teilchenstrahlen (aus Ionenbeschleunigern) beschossen. Die Oberfläche des Kügelchen verdampft explosionsartig und es entsteht eine sehr energiereiche, nach innen gerichtete Druckwelle, welche sich aus dem Rückstoß von der schnell nach außen verdampfenden Hülle ergibt.

Das Innere des Kügelchens wird extrem komprimiert (Implosion), wodurch die Temperatur auf ca. 120 Millionen Kelvin ansteigen kann und für kurze Zeit das Lawson-Kriterium erfüllt ist. Es kommt zu einer kleinen nuklearen Explosion. Der Ablauf des Vorgangs wird schematisch in 4 Phasen dargestellt.

Benjamin D. Esham (bdesham), Public domain, via Wikimedia Commons
Abb. 1 Schematischer Ablauf der Trägheitsfusion in 4 Phasen
  1. Laser- oder Teilchenbestrahlung bewirken, dass sich sehr rasch eine Plasmahülle um den Tropfen bildet, die sich explosionsartig ausdehnt.
  2. Nach dem Rückstoßprinzip entsteht eine Druckwelle, die das Innere des Tröpfchens stark verdichtet.
  3. Dichte und Temperatur im Tropfenkern haben so stark zugenommen, dass es dort zur Zündung des Plasmas kommt.
  4. Das Plasmabrennen erfasst den gesamten Tropfen. Die freiwerdende Fusionsenergie ist ein Vielfaches der eingestrahlten Energie

 

U.S. Department of Energy from United States, Public domain, via Wikimedia Commons
Abb. 2 Blick in die Fusionskammer
See page for author, Public domain, via Wikimedia Commons
Abb. 3 Mikrokapsel mit Trägheitseinschluss für dein Fusionsbrennstoff

Das National Ignition Facility (NIF) im Lawrence Livermore National Laboratory ist eine  Forschungseinrichtungen im Bereich der Kernfusion. Die Geschichte des NIF beginnt in den 1990er Jahren, als es als ehrgeiziges Projekt zur Erforschung der Trägheitsfusion ins Leben gerufen wurde. Trägheitsfusion ist eine Methode, bei der Brennstoffkapseln mit einem starken Laserstrahl beschossen werden, um die extremen Temperaturen und Drücke zu erzeugen, die für eine Kernfusion notwendig sind – ähnlich wie im Inneren der Sonne.

Der Bau des NIF begann 1997 und wurde 2009 abgeschlossen. Die Anlage besteht aus 192 leistungsstarken Lasern, die in einer riesigen Halle installiert sind. Diese Laser konzentrieren ihre Energie auf ein winziges Ziel, nicht größer als ein Pfefferkorn, um die Fusion auszulösen.

Der aktuelle Stand der Experimente geht nicht mehr davon aus, dass sich das Vorgehen zur Gewinnung von Energie nutzen lässt. Die durchgeführten Experimente werden zur Simulation von Kernwaffentests genutzt und liefern Erkenntnisse zur Astrophysik. (Quelle: Wikipedia / Mai 2024)

Joachim Herz Stiftung
Abb. 4 Skizze zum theoretischen Aufbau eines Laser-Fusionsreaktors

In der Grafik ist ein zukünftiger Laser-Fusionsreaktor skizziert:

  • Die D-T-Kügelchen fallen in die Reaktionskammer und werden von den Laserblitzen abgeschossen.
  • Die bei den Fusionsreaktionen entstehenden Neutronen werden in dem die Reaktionskammer umgebenden Lithiummantel absorbiert und führen dort exotherme Reaktionen aus.
  • Das heiße flüssige Lithium gibt in einem Wärmetauscher seine innere Energie an das Kühlwasser ab und wandelt es zu heißem Dampf, welcher z.B. eine Turbine betreiben kann.

Da der Laserwirkungsgrad recht klein ist (man braucht sehr viel Energie zum Anregen des Lasers im Vergleich zur erzeugten Lichtleistung), experimentiert man beim Trägheitseinschluss auch mit dem Beschuss durch leichte und schwere Ionen aus Beschleunigern.