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Kernfusion schafft die Zündung

Laserfusion erzeugt erstmals mehr Energie als zum Heizen hineingesteckt wurde

NIF
Beim Fusionsexperiment der National Ignition Facility hat die Kernfusion erstmals mehr Energie erzeugt als zum Aufheizen des Fusionsbrennstoffs nötig war. © Lawrence Livermore National Laboratory

Breakeven für die Kernfusion: Zum ersten Mal hat ein Laserfusions-Experiment die Zündung der Kernfusion erreicht – und mehr Fusionsenergie erzeugt, als zum Aufheizen des Fusionsbrennstoffs nötig war. Damit hat das Experiment an der National Ignition Facility in den USA erstmals in Bezug auf die Heizenergie den Breakeven-Punkt der Fusion überschritten. Auch wenn der Weg zu stromerzeugenden Fusionskraftwerken noch weit ist, ist dies ein wichtiger Fortschritt und Meilenstein für die weltweite Fusionsforschung.

Die Kernfusion gilt als Energiequelle der Zukunft und wird daher mit großem Aufwand erforscht. Einige Testreaktoren setzen dabei auf magnetisch eingeschlossenes und erhitztes Plasma wie Jet, Wendelstein-7X oder der im Bau befindliche Großreaktor ITER. Andere Anlagen wie die National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in den USA nutzen dagegen kleine Wasserstoff- oder Deuterium-Tritium-Pellets, die durch Laserbeschuss komprimiert und zur Fusion gebracht werden.

Laserfusion
Bei der Laserfusion erzeugen gebündelte Laserstahlen in einem kleinen Hohlraum energiereiche Röntgenstrahlung, die dann letztlich die Fusion in der Brennstoffkapsel auslöst. © Damien Jemison/ LLNL

Bisher jedoch war es mit keiner der Fusions-Technologien gelungen, den „Breakeven“-Punkt Q zu erreichen. Er markiert den Moment, an dem das Plasma in einem Fusionsreaktor genauso viel Energie abgibt, wie von außen zu seiner Heizung hineingegeben wird. Diese Schwelle gilt als wichtige erste Hürde auf dem Weg zur Energiegewinnung durch Kernfusion und erfordert die Zündung der Fusion.

Breakeven: Laser-Fusion erreicht Meilenstein

Jetzt haben die Physiker der National Ignition Facility diese entscheidende Hürde genommen: Bei einem Experiment am 5. Dezember 2022 hat die Anlage eine Fusionsenergie von 3,15 Megajoule erzeugt – einen neuen Rekord. Noch wichtiger jedoch: Um diese Energie aus der Fusion von Deuterium- und Tritiumkernen freizusetzen, waren „nur“ 2,05 Megajoule an Heizenergie in Form leistungsstarker Laserpulse nötig. Die Fusion hat mehr Energie produziert als hineingesteckt wurde.

Das bedeutet: Das Fusionsplasma in der winzigen Brennstoffkapsel des NIF hat gezündet und – bezogen auf die Heizenergie – erstmals den Breakeven-Punkt erreicht. „Die Zündung der Kernfusion ist eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen, die die Menschheit je angegangen ist. Sie zu erreichen, ist ein Triumph der Wissenschaft, der Ingenieurskunst und vor allem der Menschen, die dies möglich gemacht haben“, sagt Kim Budil, Direktor des Lawrence Livermore Laboratory. „Diese Schwelle zu überschreiten war die Vision, die 60 Jahre der Forschung angetrieben hat.“

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Brennstoffkapsel
Der Fusionsbrennstoff in Form von Deuterium und Tritium steckt in einer wenige Millimeter kleinen, tiefgekühlten Kapsel – hier die Kühlvorrichtung mit der Kapsel im Zentrum. © Damien Jemison/ LLNL

Wie die Laser-Fusionsanlage funktioniert

In der Fusions-Anlage der National Ignition Facility dienen 192 leistungsstarke Neodym-Laser als Energielieferanten. Ihr ursprünglich im Infrarotbereich liegender Strahl wird durch zahlreiche Verstärker und Optiken in hochfokussierte UV-Laserpulse mit 351 Nanometer Wellenlänge umgewandelt. Die gepulsten und gebündelten Laserstrahlen treffen mit einer Energie von bis zu 500 Billionen Watt auf die nur wenige Millimeter kleine Brennstoffkapsel im Zentrum der Reaktorkammer.

Der Fusionsbrennstoff besteht aus einer Kapsel mit den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium, die im Zentrum eines kleinen Hohlraums sitzt. Die konzentrierten Laserpulse treffen aber nicht direkt auf die Brennstoffkapsel, sondern werden auf die Innenwände des Hohlraums gerichtet. Dort erzeugen sie energiereiche Röntgenstrahlen, die aus allen Richtungen kommend auf die Brennstoffkapsel treffen. Das Kapselmaterial heizt sich dadurch innerhalb von Milliardstel Sekunden bis auf rund 120  Millionen Grad auf und dehnt sich explosionsartig nach innen aus.

Dies führt zu einer schlagartigen Kompression des Deuterium- und Tritium-Brennstoffs und löst in ihm die Kernfusion aus. Im August 2021 erreichte diese Anlage bereits eine Fusionsenergie von 1,3 Megajoule und damit die Schwelle zur Zündung – den Punkt, an dem sich die Fusion ohne weitere Energiezufuhr selbst erhält. Seither haben die Physiker unter anderem die Form des Hohlraums leicht verändert, um noch mehr Röntgenstrahlung auf die Brennstoffkapsel zu lenken – mit Erfolg.

Wichtiger Fortschritt für die Fusionsforschung

Jetzt ist die Zündung der Fusion gelungen. Für winzige Sekundenbruchteile – Pikosekunden – fand eine sich selbst erhaltende Fusionsreaktion statt, bevor das Plasma sich durch Ausdehnung wieder verdünnte und die Fusion stoppte. Mit dem Breakeven-Punkt erreichen die Physiker der National Ignition Facility einen wichtigen Meilenstein in der Fusionsforschung – und bringen die Laserfusion einmal mehr an die Spitze dieses Forschungsfelds. Denn bisher ist es keinem anderen Experiment oder Testreaktor gelungen, diesen Breakeven-Punkt zu erreichen.

Allerdings: „Obwohl dies gute Nachrichten sind, ist dieses Ergebnis noch weit von dem Energiegewinn entfernt, den man zur Stromproduktion bräuchte“, betont der nicht am Experiment beteiligte Kernphysiker Tony Roulstone von der University of Cambridge. „Denn um 2,05 Megajoule Heizenergie auf das Ziel zu bringen, mussten sie 500 Megajoule an elektrischer Energie für den Betrieb der Laser aufbringen. Insgesamt betrachtet sind die 3,15 Megajoule an Fusionsenergie daher noch immer erheblich weniger als zuvor hineingesteckt werden musste.“

Hinzu kommt: Für diesen Durchbruch war ein Lasersystem mit mehr als 7.500 jeweils meterlangen Spezialoptiken nötig, die Laserenergie erzeugen und auf das Ziel lenken. Die NIF-Anlage wird bisher einmal pro Tag gezündet. Ein Laserfusionskraftwerk müsste jedoch bis zu 20 Mal pro Sekunde mit hohem Wirkungsgrad zünden.

Quelle: Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)

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