Die Z-Machine bringt uns dem Physiker-Traum effizienter Fusionsenergie näher

Plasmaphysikern von Sandia Labs ist es gelungen, die Rentabilität von Fusionsreaktionen erheblich zu steigern und das Versprechen sauberer Energie aus Atomen etwas realistischer erscheinen zu lassen.

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13 Oktober 2014, 8:00am

Bild: Sandia Labs

Forscher im US-Bundesstaat New Mexico sind dem heiligen Gral der Energieerzeugung einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Die Wissenschaftler des staatlichen Sandia Forschungslabors berichten in einem neuen Paper, dass es ihnen in ihrem Experiment gelungen sei, eine „bedeutende Anzahl" an Neutronen nachzuweisen. Das Nebenprodukt der Fusionsenergie ist ein Indikator für das Ausmaß einer erfolgreichen Fusionsreaktion.

Die Fusionsenergie birgt nicht weniger als das Versprechen der perfekten Energieerzeugung. Die Technologie stellt eine Version der Atomenergie dar, die keinen strahlenden Abfall produziert (außer Tritium, dass mit nur 12 Jahren Halbwertzeit wesentlich weniger gravierend ist als der atomare Abfall eines AKWs) und in einem sich selbst kontrollierenden Prozess abläuft, der auch eine Kernschmelzen technisch unmöglich macht. Im Angesicht all dieser fantastischen Vorteile liegt es nahe, dass wir von der technischen Umsetzung bisher noch weit entfernt sind.

Die Entwicklung der Fusionsenergie ist so verlockend und herausfordernd, dass die internationale Staatengemeinschaft einen ansehnlichen Teil ihrer Forschungsinvestitionen gemeinsam in das Megaprojekt ITER im Süden Frankreichs gesteckt hat. Mit (bisher) 40 Milliarden Euro ist ITER das teuerste Forschungsprojekt, dass die Menschheit je verfolgt hat und übertrifft damit auch den LHC am CERN um Längen. 

Neben ITER arbeiten auch noch weitere, etwas bescheidenere Projekte an der Umsetzung profitabler Fusionsenergie. Dazu zählt auch die Z-Machine der staatlichen US-Einrichtung Sandia Labs. Hier versucht man sich an der Entwicklung praktikabler Fusionsenergie nicht nur mit einem deutlichen geringeren Budget, sondern auch mit einem anderen technischen Ansatz.

Das grundsätzliche Problem der Fusionsenergie besteht darin, dass Atomkerne sich durch elektromagnetische Kräfte normalerweise von einander abstoßen. Diese Kräfte sind besonders im nahen Umfeld des Atomkerns extrem stark. Damit Atomkerne sich nun nahe genug für eine Fusion kommen—bei der dann die elektromagnetischen Kräfte von nuklearer Anziehungskraft überflügelt werden—müssen sie mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1000 Kilometern pro Sekunde kollidieren.

Solche Kollisionen können nur mit Hilfe großer riesiger Mengen an Wärmeenergie erreicht werden. Dabei bedarf es Temperaturen von mindestens 50 Millionen Grad. Die Erzeugung dieser Wärme braucht natürlich jede Menge Energie und lässt das Herbeiführen von Fusionsreaktionen eher wie einen ökologischen Albtraum erscheinen. 

Für einen praktikablen und rentablen Fusionsreaktor muss es also gelingen, mehr Energie  zu gewinnen, als dafür aufbringen zu müssen. Bisher stehen Aufwand und Nutzen im klaren Missverhältnis und Fusionsenergie ist nichts weiter als ein hübscher nuklearer Kunstgriff.

Das ITER Projekt setzt auf einen sogenannten Tokamak Reaktor. Dabei handelt es sich um einen von Magnetspulen umschlossener Energie-Donut, in dem sich hocherhitztes Plasma befindet, das den Grundstoff der Fusionsreaktion bildet. Aufgrund der Hitze fliegen die Atome bereits mit gehöriger Energie auf- und ineinander. Eines Tages soll hinter diesen Zusammenstößen systematisch so viel Energie stecken, dass eine Fusion der Atome erreicht wird.

Eine anderer Ansatz zur Erzeugung von Fusionsenergie arbeitet unter anderem mit kleinen Wasserstoffpartikeln, die mit extrem starken Laser-Pulsen beschossen werden. Dabei soll der Laserstrahl den Wasserstoff so stark komprimieren, dass es zu einer Fusionsreaktion kommt. An dieser Methode versucht man sich unter anderem an der kalifornische National Ignition Facility. Allerdings ist es weder dort noch mit einem Tokamak Reaktor bisher gelungen, eine dauerhaft rentable Reaktion herbeizuführen.

Bei 35 Millionen Grad Celsius führte jeder Laserpuls zur Abgabe von rund 2 Billionen Neutronen.

Die Fusionstechnologie von Sandia stellt eine Mischung der beiden Ansätze dar: „Es komprimiert den Treibstoff durch einen schnellen Puls, allerdings nicht mit der selben Geschwindigkeit und solch hoher Dichte wie bei einer Laserfusion", berichtet Daniel Clery im Science Magazin, wo sich auch weitere physische Details zur Fusionsenergie finden:

„Der Ansatz ist als MagLIF (magnetisierte lineare „Trägheitsfusion") bekannt. Dabei steckt Fusionstreibstoff (eine gasförmige Variante des Wasserstoff Isotops Deuterium) in einem äußerst kleinen Metallbehältnis von 5 Millimetern Durchmesser und 7,5 Millimetern Höhe. Die Forscher nutzen die Z-Machine, um starke Impulse von 19 Millionen Ampere zu übertragen. Diese dauern für 100 Nanosekunden von oben nach unten in dem kleinen Metallbehältnis an. So entsteht ein starkes mangetisches Feld, dass das Behältnis mit einer Geschwindigkeit von 70 km/s verdichtet."

Parallel zur Komprimierung wird der Fusionstreibstoff von einem weiteren, etwas „sanfteren" Laser erhitzt, so dass ein magnetisches Feld entsteht. Das Magnetfeld presst das Plasma so zusammen, dass es unter vom Laserpuls nicht verschwindet, sondern von diesem stattdessen so komprimiert wird, dass es schließlich zu Fusionsreaktionen kommt.

Die jüngsten Ergebnisse der Sandia Forschung wurden im vergangenen Monat im Journal Physical Review Letters veröffentlicht und dort auch ausgiebig erläutert. Die Physiker berichteten dort von einer Reaktion mit 35 Millionen Grad Celsius bei der jeder Puls rund zwei Billionen Neutronen hervorbrachte. Bei der Fusion des Deuteriums bleiben am Ende unter anderem Neutronen zurück und durch die Messung von Röntgenstrahlen ließ sich nach Angaben der Wissenschaftler nun darauf schließen, dass die Reaktion eine „hot fuel region" erzeugte, die rund zwei Nanosekunden erhalten blieb.

Clery weist daraufhin, dass die aktuellen Ergebnisse einen 100-fach erhöhten Wert an Neutronen, verglichen mit Experimenten aus dem vergangenen Jahr, darstellen. Dennoch ist noch eine 10.000-fache Steigerung notwendig, um den Punkt zu erreichen, an dem die gleiche Menge Energie erzeugt, wie aufgewendet wird. Das mag nach wie vor extrem ambitioniert klingen, aber Simulationen zeigen, dass schon die maximale Energieleistung von Sandia von 27 Millionen Ampere ausreichen könnte, um diese Rentabilitätsschwelle zu erreichen, wie auch Adam Sefkow, der leitende Autor der aktuellen Veröffentlichung, in einer Veröffentlichung von Sandia erklärte:

„In einer zukünftigen Anlage könnte eingefangene Alphastrahlung die Erhitzung des Plasmas weiter befeuern und die Fusionsrate noch einmal steigern. Dieser Prozess wird nötig sein, um rentable Fusionsreaktionen herbeizuführen."

Und mit einer Aufrüstung ließe sich die Kapazität der Anlage noch einmal auf 60 Millionen Ampere steigern. Das könnte ausreichen, um den Sandia Fusionsansatz schließlich zumindest in die Nähe einer allgemeinen, kommerziell lukrativen Durchführung von Fusionsenergie zu bringen. Schon in einem Paper im Jahr 2012 präsentierten die Forscher, die vielversprechende Simulation einer entsprechend aufgestockten Z-Machine: „Bei einem Stromantrieb mit 60 MA überstieg der simulierte Gewinn 100, was mehr als angemessen wäre für die praktischen Anwendungen von Fusionsenergie."