Kernfusion: Großer Fortschritt bei brennendem Plasma bringt Fusionsenergie näher

Fusionsenergie ist eine der großen Hoffnungen für Energie der Zukunft. Kernfusion ist weitestgehend sauber und hat das Potential, in Zukunft die ganze Menschheit mit Energie zu versorgen. Bis es soweit ist, ist es allerdings noch ein langer Weg. ForscherInnen des Lawrence Livermore National Laboratory haben nun einen beachtlichen Schritt nach vorne gemacht: Sie erzeugten brennendes Plasma aus Wasserstoffkernen, die miteinander verschmelzen und sich im Zuge dieser Reaktion selber aufheizen.

Bild: Jason Laurea/Lawrence Livermore National Laboratory.

Selbsttragende Fusionsenergie in Reichweite?

Bei der Erzeugung des brennenden Plasmas am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien gelang es erstmals, mehr Energie zu erzeugen als eingebracht wurde. Diesbezüglich wurden vier Experimente durchgeführt, in denen die Schwelle zum brennenden Plasma überschritten werden konnte. Nach Einschätzung der ForscherInnen gelang damit ein entscheidender Schritt in Richtung selbsttragender Fusionsenergie. Die positiven Ergebnisse wurden bereits im November 2020 und Februar 2021 erzielt. Nun hat das Team das Ergebnis der Experimente im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Die Experimente wurden an der National Ignition Faciliy (NIF) des LLNL durchgeführt. Dabei nutzten die WissenschaftlerInnen winzige, mit den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium gefüllte Kapseln, die sich in Hohlräumen befanden. Auf diese waren dann insgesamt 192 Hochleistungslaser fokussiert, mit denen ein Lichtblitz von 20 Milliardstelsekunden und 1,9 Megajoule Energie erzeugt wurde. Mit diesem Lichtblitz wurden Röntgenstrahlen in einem Hohlraum erzeugt.

So wurde eine Außenschicht des Isotopengemischs angeregt, sich zu Plasma auszudehnen, wodurch der Brennstoff implodierte und den für die Kernfusion erforderlichen Druck sowie die nötigen Temperaturen im Wasserstoff erzeugte. Dabei wurden Temperaturen von bis zu 50 Millionen Grad Celsius erreicht und die Wasserstoffkerne verschmolzen zu Heliumkernen, wobei sie Energie abgaben. Dabei kommt der Ansatz der Trägheitsfusion zum Einsatz, der auch das Prinzip hinter Wasserstoffbomben ist. Die thermonuklearen Reaktionen finden in den wenigen Nanossekunden statt, in denen das Fusionsplasma aufgrund seiner Masseträgheit noch nicht auseinanderstiebt.

Fusion liefert die notwendige Wärme

„Seit Jahrzehnten wurde in Fusionsexperimenten viel externe Wärme erzeugt, um das Plasma zu erhitzen. Jetzt haben wir zum ersten Mal ein System, in dem die Fusion selbst den größten Teil der Wärme liefert„, erklärt Alex Zylstra, einer der Hauptautoren des Artikels.

Am 8. August 2021 gelang es den LLNL-ForscherInnen, in 100 Picosekunden eine Energie von 1,3 Megajoule zu erzeugen. In dieser sehr kurzen Zeitspanne ergab sich damit eine Kraftwerksleistung von 13 Millionen Gigawatt. Dabei lag der Energie-Output 25 mal höher als bei dem bisherigen Rekord, der 2018 erreicht wurde. Der Energie-Output betrug dabei etwa 70 Prozent der Laserenergie.

Das Livermore National Laboratory ist neben zahlreichen anderen Institutionen auch am Kernfusionsprojekt ITER in Frankreich beteiligt.

via LLNL