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Dienstag, 06.12.2016
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Kernfusion: Wichtiger Schritt gelungen

Fusions-Brennstoff erzeugt erstmals mehr Energie als ihm zugeführt wurde

Bisher ist die Kernfusion als Energielieferant noch eine Utopie. Aber US-Forschern ist nun immerhin ein kleiner Fortschritt auf dem Weg dahin gelungen: Es gelang ihnen erstmals, mehr Energie aus einem Fusions-Brennstoff herauszuholen als sie zuvor hineingesteckt hatten, wie sie im Fachmagazin "Nature" berichten. Allerdings: Von einer Zündung der Kernfusion und einer ohne weitere Energiezufuhr ablaufenden Kettenreaktion sind auch sie noch weit entfernt.
Blick in die Mini-Fusionskammer am NIF

Blick in die Mini-Fusionskammer am NIF

Die Kernfusion könnte viele Energieprobleme lösen – wenn sie denn gelänge. Denn bei der Verschmelzung von Atomen werden enorme Mengen an Energie frei. Diese Energie ist es auch, die die Sonne und andere Sterne über Millionen und Milliarden Jahre leuchten lässt. Doch das, was in Sternen von selbst abläuft, lässt sich auf der Erde nur unter großen Problemen nachbauen. Bisher scheitern Physiker schon an den Vorstufen solcher Technologien.

Zwei Hauptprobleme


Damit die als Brennstoff eingesetzten Deuterium- und Tritiumkerne verschmelzen, müssen starker Druck und große Hitze ihre natürliche Abstoßung überwinden. Das benötigt enorme Mengen an Energie. Das zweite Problem: Die Fusionsreaktoren müssen das glühende Plasma sicher einschließen – doch normale Materialien halten dem nicht stand. Physiker versuchen dieses Problem durch zwei Ansätze zu lösen: Starke Magnetfelder, die das Plasma quasi in der Schwebe halten, oder das sogenannte Trägheitsprinzip, bei dem enormer, plötzlicher Druck den Brennstoff so stark komprimiert, dass er quasi von selbst zusammenbleibt.

Aber egal um welchen Ansatz es geht – einer Zündung der Kernfusion sind die Physiker bisher nicht einmal ansatzweise nahe gekommen. Weil große Erfolge ausbleiben, muss die extrem teure Fusionsforschung heute in vielen Länder sogar um Forschungsgelder bangen. Zwar haben sich Dichte, Temperatur und Einschlusszeit des Plasmas seit den Anfängen der Fusionsforschung stark verbessert, doch bisher muss noch immer weitaus mehr Energie in die Anlagen hineingesteckt werden als herauskommt.


Gekühlter Halter für die Fusionskammer

Gekühlter Halter für die Fusionskammer

Laserpulse lösen Kernfusion aus


Forscher der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien haben nun einen wichtigen Fortschritt erzielt: Omar Hurricane und seine Kollegen schafften es bis zum sogenannten fuel gain – dem Punkt, an dem der Reaktor mehr Energie erzeugt als im Versuch in seinen Brennstoff hineingesteckt wird. In ihrem Versuchsreaktor nutzten sie eine nur einen Zentimeter große Kapsel gefüllt mit Deuterium und Tritium als Brennstoff. Dieses vorkomprimierte Pellet beschossen sie von allen Seiten mit Laserstrahlen.

Der konzentrierte Beschuss aus den insgesamt 192 Lasern erzeugte mehr als 1,8 Millionen Joule Energie – allerdings nur für eine Dauer von weniger als einer Millionstel Sekunde. Das Brennstoffpellet wird durch diesen Laserpuls aufgeheizt und komprimiert. Dies ist stark genug, um zumindest einige Atome miteinander verschmelzen zu lassen.

Energie-Ausbeute stark gesteigert


"Wir haben in diesen Experimenten eine Energie-Ausbeute erzielt, die um das Zehnfache über dem liegt, was bisher bei solchen Implosionsversuchen mit Deuterium und Tritium erreicht wurde", berichten Hurricane und seine Kollegen. Damit erzeugte das Brennstoffpellet erstmals mehr Energie als zuvor hineingesteckt wurde. Für eine Zündung der Fusion – den Punkt, ab dem die Fusion in einer Kettenreaktion ohne weitere Energiezufuhr alleine weiterläuft – reicht dies allerdings noch nicht.

Dennoch gibt es erste Anzeichen für eine Selbsterhitzung der Brennstoffmasse, wie die Forscher erklären. Denn die bei der Fusion entstandenen Alphateilchen trugen immerhin schon zu mehr als einem Drittel zur Gesamtenergie bei. Diese Selbsterhitzung gilt als entscheidende Voraussetzung für die Zündung der Kettenreaktion.

Noch ist auch dieses Experiment nur ein Vorversuch auf dem langen Weg zu einer Nutzung der Kernfusion als Energielieferant. Um die Zündung und damit den entscheidenden Punkt zu erreichen, müssen auch Hurricane und seine Kollegen die Energieausbeute ihres Systems weiter steigern – um fasst das Hundertfache. Ob sich dies erreichen lässt und mit dieser Technik, bleibt allerdings noch offen. (Nature, 2014; doi: 10.1038/nature13008)
(Nature, 13.02.2014 - NPO)
 
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