Energieforschung

Plasma|in|fusion

W�hrend sich eine internationale Staatengemeinschaft in jahrelanger Abstimmung auf den Standort eines Versuchsreaktors einigte, haben die USA eine Anlage gebaut, er�ffnet und erfolgreich getestet. Und z�nden noch dieses Jahr zum ersten Mal einen Mikrostern im Labor.

"Das gr��te Wissenschaftsprojekt seit der Internationalen Raumstation." So bezeichnete der ehemalige franz�sische Staatspr�sident Jacques Chirac den mittlerweile begonnenen Bau des Versuchs-Fusionsreaktors Iter in Cadarache, n�rdlich von Marseille. Dieses Etikett ist f�rmlich Segen und Fluch zugleich. Denn steht es zum einen f�r das hehre Ziel, "saubere" Energie zu erzeugen – ohne Emission von Treibhausgasen, Ausbeutung begrenzter Rohstoffe und stark radioaktiven Abfall –, wird es zum anderen genau wie die bemannte Raumfahrt als zu teures und letztendlich vielleicht sinnloses Unterfangen kritisiert.

**Plasmagef�� der Fusionsanlage ASDEX Upgrade**

Dabei besch�ftigen sich Wissenschaftler und Techniker ebenfalls seit mehr als einem halben Jahrhundert mit einem solchen Reaktor. Kurz nachdem Physiker wie Hans Bethe die Energiegewinnung in Sternen erkl�rten, wurde dar�ber nachgedacht, die Fusion auf der Erde zur Stromerzeugung einzusetzen – bis heute allerdings ohne Erfolg. Denn die Bedingungen im Zentrum von Sternen wie der Sonne sind extrem – hier herrschen Dr�cke von 300 Milliarden Atmosph�ren und Temperaturen von mehr als zehn Millionen Grad.

Bei dieser Hitze ist der Wasserstoff, aus dem die Sonne �berwiegend besteht, ionisiert: Die Elektronen sind nicht mehr an die Atomkerne gebunden und bewegen sich frei durcheinander. Physiker nennen diesen Zustand Plasma oder den vierten Aggregatzustand neben fest, fl�ssig und gasf�rmig. Mehr als 99 Prozent der sichtbaren Materie im Universum liegt als Plasma vor. Auch die Erde ist einem st�ndigen Strom von solchem ionisierten Gas ausgesetzt, dem Sonnenwind. Da die Teilchen, aus denen sich das Plasma zusammensetzt, nicht neutral sind, k�nnen elektrische Str�me flie�en und die Partikel werden vom Magnetfeld der Erde abgelenkt und teilweise eingefangen.

Plasma – gez�hmt per Magnetfeld

Dadurch kommen zahlreiche Effekte zustande, die bei neutralen Gasen nicht beobachtet werden. Einer davon konnte jetzt in einem neuartigen Aufbau am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA, erstmals im Versuch nachgestellt werden. In ihrer Plasmakammer hielten die Forscher um Michael Mauel von der Columbia University in New York und Jay Kesner vom MIT einen supraleitenden Dipolmagneten mit einem externen Feld in der Schwebe, anstatt ihn wie gew�hnlich mechanisch zu fixieren. Die geladenen Teilchen k�nnen sich dadurch frei um den "magnetischen Donut" bewegen, ohne eine Aufh�ngung zu ber�hren.

Levitated Dipole Experiment (LDX) — **Neue Magnetanordnung**

Das Leuchten des Plasmas verr�t dessen unterschiedliches Verhalten, wenn der quer stehende Dipolmagnetring (Bildmitte) von einer mechanischen Halterung (*Catcher*) fixiert wird (links), oder wenn diese nach unten weggezogen ist und der Dipol magnetisch in der Schwebe gehalten wird (rechts). Dann sammelt sich hei�es Plasma nahe des Dipols an und staut sich zu hoher Dichte auf.

"Unser Experiment wurde von der irdischen Magnetosph�re inspiriert", erl�utert Mauel. "Planeten wie Erde und Jupiter k�nnen mit ihrem Dipolfeld hei�e, ionisierte Materie auch bei hohem Druck ansammeln", so der Physiker weiter. Dieser Plasmaeffekt wird als Turbulent Inward Pinching bezeichnet. Neutrales Gas w�rde sich dagegen schnell wieder umverteilen und die Dichteunterschiede ausgleichen. Abgesehen von der Grundlagenforschung, k�nnte die neue Magnetanordnung auch bei der Weiterentwicklung von Fusionsexperimenten helfen.

Auch in der bisher f�hrenden Anlage zum magnetischen Plasmaeinschluss, dem Tokamak, lie�en sich diese Turbulent Inward Pinch bereits beobachten. "Aber noch nie in der Klarheit wie in diesem Versuch am MIT", berichtet Karl Lackner, Theoretiker am Max-Planck-Institut f�r Plasmaphysik (IPP) in Garching. Die US-Forscher verweisen darauf, dass – sofern ihre Folgeexperimente weiterhin ermutigende Resultate liefern – ihre Dipolanlagen eine alternative zweite Generation von Fusionsreaktoren darstellen k�nnten.

In diesen sei es dann m�glich, durch den Einsatz von Helium-3 auf das Erbr�ten von Tritium, einem radioaktiven Isotop des Wasserstoffs, zu verzichten. Bisher wird das �berschwere Wasserstoffisotop neben Deuterium verwendet, da die Reaktionswahrscheinlichkeit und die Energiebilanz bei diesen Kernen g�nstiger sind. Doch der Verzicht wirft andere Probleme auf. "In Anwesenheit von Deuterium entsteht immer Tritium und damit findet auch der �bliche Fusionsprozess statt. Dessen schnelle Neutronen erw�rmen jedoch den gek�hlten supraleitenden Magneten", wirft Lackner ein.

Ralph Schorn, Plasmaphysiker vom Forschungszentrum J�lich, z�hlt weitere Schwierigkeiten auf: "Helium-3 ist auf der Erde nicht ann�hernd ausreichend vorhanden, kann nicht erbr�tet werden und m�sste auf dem Mond abgebaut werden. Zudem liefert die Reaktion mit Helium-3 als Endprodukt keine Neutronen." Das k�nnte zwar auch Vorteile mit sich bringen, doch die im Reaktor erzeugte Energie m�sste in diesem Fall �ber W�rmeleitung und Oberfl�chenkontakt aus der Brennkammer geleitet werden. "Zusammen mit der wesentlich h�heren Plasmatemperatur von 700 Millionen Grad f�hrt das zu Problemen, die die heutige Fusionsforschung nicht ann�hernd l�sen kann", so Schorn.

Schwierigkeiten auf allen Wegen

Doch auch die Ans�tze, die von deutschen Forschern verfolgt werden, haben mit gravierenden technischen Herausforderungen zu k�mpfen. Selbst wenn das hei�e Plasma weitestgehend durch die schraubenf�rmig verdrehten Magnetfelder in Tokamaks oder den so genannten Stellaratoren von den W�nden der Kammer fern gehalten wird, l�sst sich ein Kontakt wegen Turbulenzen und Plasmainstabilit�ten nie v�llig vermeiden. Kommt es dazu, schl�gt das Plasma Partikel aus der Wand heraus, die das ionisierte Gas verunreinigen. Gleichzeitig erodiert die Oberfl�che und �ndert ihre Eigenschaften.

Dies in den Griff zu bekommen wird eine der Hauptaufgaben von Iter sein. L�uft alles nach Plan, finden 2018 die ersten Versuche statt. Acht Jahre sp�ter wollen die Wissenschaftler dann erstmals mit einem Deuterium-Tritium-Plasma zeitweise Energie erzeugen. Erst wenn diese Testphasen erfolgreich verlaufen, beginnt der Bau des eigentlichen Kraftwerkprototyps "Demo", der im Idealfall Mitte des Jahrhunderts ans Netz geht.

**Reaktionskammer f�r die Kernfusion an der NIF**

Ein Techniker bringt am Ausleger der etwa zehn Meter gro�en Targetkammer der National Ignition Facility einen kleinen Goldzylinder an, in den 192 Laserstrahlen geschossen werden. Das Pellet in seinem Innern wird dadurch extrem zusammengedr�ckt und Kernfusion setzt ein.

In den Vereinigten Staaten wird neben den Reaktoren mit magnetischem Plasmaeinschluss – wie beim Tokamak oder den Stellaratoren – noch ein anderer Weg verfolgt: Die Tr�gheitsfusion. Dass diese Methode umsetzbar ist, zeigte sich bereits in den 1950er Jahren. In Wasserstoffbomben wurde der Brennstoff durch den Druck einer explodierenden Atombombe auf die n�tige Temperatur und Dichte gebracht.

Mittlerweile forschen Wissenschaftler daran, dies durch massiven Laserbeschuss zu bewerkstelligen. Die auf europ�ischer und deutscher Ebene gef�rderte Wissenschaft verzichtet bislang allerdings auf die Entwicklung dieser Methode und konzentriert sich auf den magnetischen Einschluss. Auf Grund der langj�hrigen milit�rischen Grundlagenforschung in diesem Sektor hat die Tr�gheitsfusion allerdings einen merklichen Vorsprung.

"Stern in der Schachtel"

Jetzt, da die Lasertechnik genug Leistung erbringt, soll der endg�ltige Durchbruch neben der milit�rischen auch die zivile Nutzung m�glich machen. Im Mai 2009 wurde am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien die National Ignition Facility (NIF) eingeweiht. 192 Hochleistungslaserstrahlen werden hier auf einer Fl�che von drei Fu�ballfeldern erzeugt, mehrfach verst�rkt und dann in der Experimentierkammer auf einen weniger als einen Zentimeter gro�en, hohlen Goldzylinder gerichtet. In dessen Zentrum befindet sich die eigentliche Fusionskapsel mit 1,8 Millimeter Durchmesser.

"Einen 'Mikrostern' erzeugen � das ist die Aufgabe der National Ignition Facility und wir werden es noch dieses Jahr versuchen."
(Siegfried Glenzer)

Durch die Einstrahlung des Laserlichts entsteht im Hohlraum R�ntgenstrahlung, die die �u�ere Schicht der Kapsel explosionshaft verdampft, wodurch der Kern schlagartig verdichtet wird. Allein die Tr�gheit der Plasmateilchen ist dann ausreichend, um einige Milliardstelsekunden lang gen�gend Druck beizubehalten, damit die Kernfusion z�ndet. "Die Vorabversuche Nova und Omega haben die n�tige Kompression mit viel kleineren Kapseln schon erreicht", erkl�rt Siegfried Glenzer vom Livermore Labor. "Aber wir brauchen die jetzige Pelletgr��e, wenn wir einen Energie�berschuss erzielen wollen. Einen 'Mikrostern' erzeugen – das ist die Aufgabe der NIF und wir werden es noch dieses Jahr versuchen."

Die Ergebnisse der ersten Tests haben Glenzer und seine Kollegen jetzt ver�ffentlicht. Mit etwa der H�lfte der nominalen Laserenergie von ungef�hr 1,3 Megajoule konnten sie eine Dummy-Kapsel auf die gew�nschte Weise komprimieren. "Ein Meilenstein", attestiert Lackner, "damit ist der Beweis erbracht, dass das Prinzip funktioniert. Ein gewaltiger Schritt vorw�rts." Wenn es dann so weit ist, verwenden die Forscher ein Pellet mit Deuterium und Tritium und komprimieren es mit ihrer Laserphalanx doppelt so stark wie im Test. Das Plasma erreicht dann mehr als 100 Milliarden Atmosph�ren Druck und eine Temperatur von mehr als 100 Millionen Grad, genug f�r das Einsetzen der Fusionsreaktion.

Dies ist freilich nur von kurzer Dauer. Wollte man damit dauerhaft Strom erzeugen, m�sste der gesamte Vorgang bis zu zehnmal pro Sekunde wiederholt werden. Glenzer f�hrt aus: "Der Prozess wird im gepulsten Modus durchgef�hrt und um ihn zur Energiegewinnung weiterzuentwickeln, ben�tigt man kurze Zyklen f�r den Laserbeschuss und die Pelletfabrikation. Solche Pl�ne existieren bereits unter dem Projektnamen Life." Diese schnelle Taktung von Explosionen birgt im Dauerbetrieb T�cken.

"Beim magnetischen Einschluss des Plasmas in einem Tokamak oder Stellarator l�uft die Fusion dagegen station�r ab, vergleichbar einer chemischen Verbrennung bei einem Plasmadruck von nur zehn Atmosph�ren", beschreibt Lackner. Kein Wunder also, dass die deutschen Forscher mit ihren Anlagentypen wie Asdex und Wendelstein am Ball bleiben wollen – liefern sie doch wesentliche Grundlagen, die bei Konstruktion und Betrieb von Iter ber�cksichtigt werden. F�r das drei Jahrzehnte dauernde Projekt ist mit Kosten jenseits der Zehn-Milliarden-Euro-Grenze zu rechnen, verteilt auf die Schultern der Europ�ischen Union, Japans, Russlands, der USA, der Volksrepublik China, S�dkoreas und Indiens.

Auch wenn die Energieerzeugung im Iter – geschweige denn der Bau des ersten Fusionskraftwerks – vielleicht noch weiter entfernt liegt als eine Mondstation oder ein bemannter Flug zum Mars, k�nnte die Forschung auf diesem Gebiet durch die absehbare Z�ndung des ersten Mikrosterns im Labor deutlich mehr R�ckhalt erlangen. Letzten Endes ist fraglich, ob sich die Menschheit angesichts des Klimawandels den Luxus erlauben kann, auf die m�gliche Energiegewinnung durch Kernfusion von vornherein zu verzichten – trotz ungel�ster technischer Probleme und enormer Entwicklungskosten.