Neue Art der Kernfusion: 37 Millionen Grad im Mini-Reaktor

Bei der Kernfusion werden zwei wichtige Unterarten unterschieden: Die Laserfusion, bei der eine winzige Kapsel mit dem Fusionsmaterial durch Laserpulse erhitzt und komprimiert wird, sowie die Magneteinschluss-Fusion, die in Reaktoren wie dem Wendelstein 7-X und dem ITER zum Einsatz kommt und bei der starke Magneten das Plasma sowohl erhitzen als auch eindämmen. Beide Prinzipien erfordern jedoch große Anlagen.Physiker:innen haben nun einen neuen Mini-Fusionsreaktor entwickelt, in dem es nun erstmals gelang, das Fusionsplasma auf 37 Millionen Grad zu erhitzen. Damit haben sie einen neuen Rekord für kompakte Anlagen aufgestellt.

Fusion im kleinen Format

Das Prinzip, das bei solchen Mini-Fusionsreaktoren zum Einsatz kommt, wurde bereits in den 1950er Jahren durch Zufall in Australien entdeckt. Dort beobachteten Physiker:innen, dass bei einem Blitzeinschlag der Metallstab des Blitzableiters zusammengedrückt wurde. Dahinter steckt der sogenannte Z-Pinch-Effekt, bei dem die Magnetfelder, die der Blitz erzeugt, einen radialen Druck ausüben, der den Stab komprimiert. Dieser Druck ist auch in der Lage, Plasma zu verdichten, wie Forscher:innen schon damals experimentell belegen konnten.

Allerdings hält die komprimierende Wirkung eines starken Stromstoßes nur Sekundenbruchteile an bevor sie instabil wird, was in früheren Versuchen dazu führte, dass eine Fusion unter Einsatz des Z-Pinch-Effekts nichts möglich war.

Elektronentemperatur: Die nächste Hürde ist beseitigt

Forscher:innen von Zap Energy, einer Ausgründung aus der University of Washington und aus weiteren US-Forschungseinrichtungen, haben eine Lösung für dieses Problem entwickelt: Bei der sogenannten Sheared-Flow-Stabilisierung wird ein Stromstoß von bis zu 500 Kiloampere erzeugt, der eine Wolke aus Deuterium mitreiß und zu einem Ring und dann zu einem langen Faden formt. „In unseren Fusionskammern wird der Plasmastrom in Schichten aufgetrennt, die sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen„, so Forschungsleiter Ben Levitt. Bei diesem Vorgang glätten die schnelleren Außenschichten des Deuteriumplasmas die Instabilitäten, die in früheren Versuchen zu Problemen führten. Der innere Kern des Plasmafadens bleibt dadurch länger stabil. Dieser innere Kern ist 50 Zentimeter lang, aber nur etwa einen Millimeter dick.

Dem Forschungsteam gelang es nun, eine weitere Hürde zu beseitigen: Bisher war es so, dass die Temperaturen der Elektronen im Fusionsplasma oft nicht ausreichten, um die Fusion zu ermöglichen. Nur bei einer Temperatur von 11 bis 37 Millionen Grad Celsius haben die Plasmaelektronen eine Energie von ein bis drei Kiloelektronenvolt, sodass eine effektive Fusion stattfinden kann.

„Trotz Jahrzehnten der Fusionsforschung ist es bisher nur einer Handvoll von Fusionskonzepten gelungen, eine Elektronentemperatur von einem Kiloelektronenvolt zu erreichen„, so Scott Hsu vom US-Energieministerium. Damit ist der Z-Pinch-Reaktor von Zap Energie die erste so kleine Fusionsanlage, in der diese Schwelle überwunden werden konnte. Messungen zeigten Temperaturen der Elektronen im Reaktor von bis zu 37 Millionen Grad Celsius. Damit erreichten diese die Temperatur der Atomkerne des Plasmas.

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Günstige, leicht erreichbare Fusion

„Die Zap-Technologie ist mehrere Größenordnungen billiger und leichter zu bauen als andere Reaktoren. Das erlaubt es uns, das System schnell weiterzuentwickeln und die günstigsten Fusions-Neutronen zu erzeugen„, so Benj Conway, CEO von Zap Energy. Das Startup möchte nun ein Nachfolgesystem entwickeln, in dem die Dichte, Temperatur und Dauer des Z-Pinch so eingestellt ist, dass ein stabiles und effizientes Fusionsplasma entsteht.

Die Physiker:innen haben errechnet, dass der Breakeven-Punkt für solch ein Plasma bei etwa 650 Kiloampere erreicht sein könnte. Ab diesem Punkt wäre dann die mittels Fusion erzeugte Energie höher als die Energie, die zu Aufbau und Erhalt der Fusion benötigt wird. „Wir haben zwar noch eine Menge Arbeit vor uns, aber die Leistung unseres Systems ist schon so weit gestiegen, dass wir nun Schulter an Schulter mit einigen der weltbesten Fusionsreaktoren stehen – aber mit einem Bruchteil der Komplexität und Kosten„, erklärt Levitt.

via Zap Energy