Fusionsforschung

Trägheitsfusion und Fast Ignition

Energie aus kontrollierter Fusion von Wasserstoff ist ein seit langem verfolgter Traum der Menschheit. Die nahezu unbeschränkten Ressourcen, die große Energiedichte und die im Vergleich zur Spaltung fehlenden Gefahren und Endlagerprobleme sind eine starke Motivation für die Forschung. Zur Erzeugung von nutzbarer Energie müssen genügend Reaktionen stattfinden um die zur Zündung notwendige Energie zurück zu gewinnen (Break-Even). Die Hauptrichtung der Forschung hat sich bislang auf den Einschluss des Plasmas durch Magnetfelder konzentriert. Bei diesem Verfahren soll ein dünnes Plasma lange brennend gehalten werden.

Trägheitsfusion

Dem gegenüber verfolgt die Trägheitsfusion einen anderen Ansatz. Die Trägheitsfusion (ICF) ist ein gepulstes Verfahren bei dem der Brennstoff für jeden Zyklus eingebracht, komprimiert und gezündet wird. Dieser befindet sich dabei im Inneren einer etwa 2 mm großen Kapsel. Der Brennstoff wird homogen von allen Seiten erhitzt: direkt mittels Laserstrahlen und indirekt mit weichen Röntgenstrahlen aus einem Hohlraum, der mit Lasern oder Ionenstrahlen geheizt wird.

Diese indirekte Fusion führt zu einer besseren Homogenität der Implosion, führt jedoch zu Lasten der Konversionseffizienz in Röntgenphotonen. Die Kompression erfolgt dabei möglichst sanft entlang einer niedrigen Adiabate um den Brennstoff nicht vorzuheizen, was die Kompression erschwert. Das gefrorene Gemisch aus Deuterium und Tritium erreicht etwa 1000-fache Festkörperdichte. Bei korrektem Timing der einzelnen Schockwellen überlagern sich diese im Zentrum und heizen es bis auf Zündbedingungen (T≈keV) auf. Die einsetzende Fusionsreaktion erzeugt α-Teilchen, die ihre Energie in dem, den Kern umgebenden Brennstoff deponieren und diesen damit zünden (Selbstheizung). Entscheidend hierfür ist das Verständnis der Energiedeposition von Ionen in Plamen. Die resultierende Brennwelle breitet sich schneller aus, als der Brennstoff durch seine Massenträgheit entweichen kann. Bei einer Zündung sollen so bis 200 MJ an Energie produziert werden. Zukünftige Laser- und Ionenstrahltreiber für die Trägheitsfusion sind auf 16-20 Hz konzipiert um die Leistung eines Großkraftwerkes zu erreichen.

Moderne ICF-Experimente starteten 2009 mit der Fertigstellung der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien. NIF verfolgt als Laseranlage die Grundlagenforschungen auf dem Gebiet der hohen Energiedichten in Materie, Forschungen zur Sicherung des nuklearen Arsenals (Stockpile Stewardship) und der Forschung zur ICF. Der Laser von der Größe zweier Fußballfelder vereint 192 Laserstrahlen mit je einem Querschnitt von 40 x 40 cm2 und einer Leistung von 500 TW. Jeder Laserpuls ist dabei zeitlich präzise manipulierbar und folgt exakt einer vorgegebenen Form. Ursprünglich für eine Energie von 1,6 MJ geplant erreicht NIF inzwischen regulär Energien bis 1,9 MJ.

Bislang wurde das Ziel der Zündung verfehlt. Die Vorhersagen und Berechnungen wichen deutlich von den experimentellen Ergebnissen ab. Der sogenannte „Yield over Simulated“, also die experimentelle Ausbeute gegenüber den Berechnungen lagen nur bei ca. 15%. Bei der erstaunlichen Präzision des Lasers und der bestrahlten Proben fragt man sich: Wenn es nicht am Experiment lag, woran dann?

Ein wichtiges Problem ist der „Material–Mix“; durch kleine Inhomogenitäten zu Beginn der Implosion wurden Instabilitäten ausgelöst (Raleigh-Taylor) die deutlich schneller anwuchsen als erwartet. Dies ist aktuell Thema unserer Kollegen in Kalifornien. Bei den letzten veröffentlichten Experimenten betrug die Energie aus den Fusionsreaktionen ca. 50 kJ.

Sind wir kurz vor der Zündung? Um es klar zu sagen: Nein. Zur Zündung bedarf es noch weiterer Verbesserungen aber es ist ein bedeutender Schritt auf diesem Weg. Zum ersten Mal stimmen die Berechnungen mit den Experimenten zu mehr als 90% überein. Das Problem des Material-Mix wurde deutlich besser verstanden und ein Aufbrechen der Schale und eine Vermischung des Brennstoffes mit der Kapsel konnte unterdrückt werden. Auch die Symmetrie der Implosion konnte besser kontrolliert werden. Die Energie aus der α-Teilchen-Heizung hat signifikant zur Energiebilanz beigetragen. Zwar war der Zündfunke nicht stark genug um die Reaktion am Leben zu erhalten und der ihn umgebende Brennstoff konnte nicht genügend komprimiert werden, aber die Ausbeute und Reaktionsrate folgt exponentiell der Zahl der α-Teilchen, so dass kleine Steigerungen der Selbstheizung große Auswirkungen auf die Energiebilanz haben.

Wie geht es weiter?

Zurzeit wird ein Kompromiss aus niedriger Entropie und Stabilität gegen RT-Instabilitäten berechnet. Darüber hinaus könnte die Kapsel aus Diamant anstelle Plastik gefertigt werden sowie die Kapseldicke verringert werden. Ein neues Hohlraumdesign soll Konversions-verluste minimieren (Rugby-Hohlraum). Daneben gibt es Ideen zum Einsatz von lasergetriebenen Magnetfeldern.

Für den Einsatz der Trägheitsfusion zur Energieerzeugung gibt es neue, vielversprechende Ansätze. Die direkte Bestrahlung des Targets erfordert bessere Kontrolle der Laserstrahlen und deren Homogenität, was durch die jüngste Entwicklung bei den Lasersystemen machbar erscheint. (Siehe auch unsere Forschung mit der PHELIX Gruppe an der GSI). Die Verlängerung der Wellenlänge des Lasers (NIF hat derzeit bei 532 nm 5 MJ Energie) und die Erhöhung der Laserbandbreite werden zurzeit intensiv erforscht. Unsere Gruppe verfolgt darüber hinaus den Ansatz der schnellen Zündung mit lasergetriebenen Ionenstrahlen (Fast-Ignition).

Für zukünftige Experimente wird nicht mehr auf Technologie zurückgegriffen werden können, die aus den 1970ern stammt. Der Einsatz Dioden gepumpter- oder Faserlaser erhöht nicht nur die Konversionseffizienz um einen Faktor 50, sondern erlaubt auch Repetitionsraten von 20 Hz und mehr.

Forschung in Darmstadt

Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der Grundlagenforschung zur Trägheitsfusion. In den letzten Jahren liegt der Fokus der Forschung auf der Entwicklung des Konzeptes der schnellen Zündung (Fast Ignition) mit lasererzeugten Ionenstrahlen. Dabei wird der nukleare Treibstoff zum Zeitpunkt maximaler Kompression durch einen kurzen Puls (<20ps) energetischer Ionen auf Zündtemperatur gebracht, vergleichbar mit der Zündkerze in einem Ottomotor. Das Konzept wurde von unserer Gruppe entwickelt und wird mittlerweile mit vielen internationalen Partnern gemeinsam erforscht. Die Forschung unserer Gruppe zur Protonen Fast Ignition (PFI) basiert auf unseren Arbeiten zur Ionenbeschleunigung mit Lasern.

Unsere Gruppe arbeitet sowohl mit numerischen Verfahren (Hydrodynamische Simulationsrechnungen, Particle-In-Cell (PIC) Simulationen als auch an der Entwicklung neuer Diagnostiken und unternimmt Experimente an den größten Laseranlagen der Welt. Unterstützt wird die Forschung durch unser eigenes Labor am Institut für Kernphysik, mit dem die Lasertargets und Diagnostiken entwickelt werden, und das einen hervorragenden internationalen Ruf genießt.