Flüssig statt fest: Neues Konzept könnte Laserfusion praktisch einsetzbar machen

Wenn es um die Forschung an Fusionsenergie geht, konkurrieren verschiedene Ansätze miteinander. Hauptsächlich geht es um Magneteinschlussanlagen wie der der Großreaktor ITER oder der Stellarator Wendelstein 7-X, die Magnetfelder nutzen, um Plasma einzuschließen und auf mehrere Millionen Grad Celsius aufzuheizen, sowie die Laserfusion, bei der energiereiche Laser eine kleine Kapsel mit dem Fusionsbrennstoff zur Zündung bringen. Allerdings stehen vor allem der Laserfusion noch ganz praktische Hürden im Weg. Eine neue Art Brennstoffkapsel, die auf flüssigen statt gefrorenen Brennstoff setzt, könnte einige dieser Hürden nun aus dem Weg räumen.

Bild: University of Rochester photo / J. Adam Fenster

Flüssig statt gefroren

Das Problem an der laserinduzierten Fusion ist, dass diese quasi im Sekundentakt ablaufen müssten, damit sie praktisch zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Das würde auch bedeuten, dass ein entsprechendes Kraftwerk etwa eine Million Brennstoffkapseln am Tag bräuchte. Das Problem daran: Derzeit werden für die Herstellung einer einzigen Kapsel mehrere Tage benötigt. An der National Ignition Facility in den USA etwa werden Kapseln verwendet, die aus mehreren Schichten gefrorenen Deuteriums und Tritiums bestehen. Dieses Gemisch muss eine perfekte, glatte Hohlkugel bilden, die nur mit viel Aufwand produziert werden kann. Hinzu kommt, dass die Kapsel im Anschluss dauerhaft in einer Art Mini-Tiefkühltruhe aufbewahrt werden.

Forscher:innen rund um Igor Igumenshchev haben nun eine Methode gefunden, um die Kapseln einfacher herstellen zu können. Dabei verwenden sie flüssiges statt gefrorenes Deuterium und Tritium und injizieren den Fusionsbrennstoff in eine spezielle Schaumkapsel. „Das Deuterium-Tritium-Gemisch liegt anfänglich als homogene Flüssigkeit in einer sphärischen Schaumhülle vor„, erklären die Forscher:innen.

Anschließend beschießt das Team die Schaumkapsel mit einer ersten Salve Laserpulse, die eine Schockwelle auslösen und den Brennstoff komprimieren. Mit einer zweiten Lasersalve wird diese sich ausbreitende Schockwelle wieder gebremst und begrenzt. Der Fusionsbrennstoff im Inneren der Kapsel rast aber weiter nach außen, sodass eine nahezu perfekte Hohlkugel entsteht, womit die Kapsel dann für die Laserfusion geeignet ist.

Praktischer Test bestanden

In einem Machbarkeitstest untersuchten die Forscher:innen die praktische Umsetzbarkeit ihres Konzepts – allerdings vorerst ohne Deuterium und Tritium. Sie erstellten eine etwa 600 Mikrometer kleine Kugel aus Kohlenwasserstoff-Nanofasern, die sie dann im Zentrum der OMEGA-Laseranlage der University of Rochester und konfrontierten sie mit einer Serie von sorgfältig aufeinander abgestimmten Laserpulsen. So gelang es den Physiker:innen, eine sphärische Schale aus dem verdichteten Material zu erzeugen.

„Damit haben wir zum ersten Mal die Machbarkeit der dynamischen Schalen-Technik bewiesen. Durch die konvergenten Schocks der Laserpulse entsteht am Rand der Plasma-Kugel eine konzentrierte Schale„, so das Team. Als nächstes wäre nun ein Test mit Deuterium und Tritium in der Kapsel an der Reihe.

Einsatz in der Praxis erfordert neue Laser

Wie gut das Konzept dann tatsächlich in der Praxis eingesetzt werden kann, hängt auch maßgeblich davon ab, ob und wie gut die für die Erzeugung der dynamischen Schale benötigte Laser in bestehende Anlagen integriert werden kann. Die benötigten Laser müssen in der Lage sein, lange Laserimpulse zu erzeugen. Derartige Hochleistungslaser, die in entsprechenden Anlagen verwendet werden können, müssen noch entwickelt werden.

via University of Rochester