Laserfusion – Brennendes Plasma heizt sich selbst auf

Livermore (USA) - Die Fusion von leichten Wasserstoff- zu schwereren Heliumkernen verspricht eine hoch effiziente und fast unerschöpfliche Energiequelle. Mit unterschiedlichen Konzepten streben weltweit mehrere öffentliche und auch private Forschergruppen eine Kernfusion an, die mehr Energie freisetzt als zum Betrieb eines Fusionsreaktors nötig ist. Nun gelang amerikanischen Forschern mit ihrer durch Laser unterstützten Kernfusion ein großer Schritt. Sie schufen ein brennendes Plasma aus extrem heißen, miteinander verschmelzenden Wasserstoffkernen, das sich im Betrieb sogar selbst heizt. In der Fachzeitschrift „Nature“ berichten sie nun, wie genau sie dieses wichtige Zwischenziel erreicht haben.

Der Aufwand für eine durch Laser angeregte Kernfusion ist groß. Insgesamt 192 intensive Laser fokussieren die Fusionsforscher der National Ignition Facility am Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore auf einen kleinen etwa elf Millimeter hohen und sechs Millimeter durchmessenden Hohlraum. Mitten in diesem Hohlraum befindet sich eine winzige Kapsel mit einer Mischung aus den schweren Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium. Die Laserstrahlen erzeugen an den Innenwänden des Hohlraums Röntgenstrahlung, die die Hülle der Wasserstoffkapsel stark aufheizt. Dabei dehnt sich die Kapselhülle in einem zehntelmilliardstel Bruchteil einer Sekunde aus. Zugleich wird das Innere der Kapsel in einer Implosion stark zusammengepresst. Bei dieser Kompression des Plasmas aus Wasserstoffkernen werden Temperaturen von bis zu 50 Millionen Grad erreicht. Dabei verschmelzen die Wasserstoffkerne zu schwereren Heliumkernen und geben dabei Energie ab.

Diese Kernfusion gelang nun so gut, dass die entstandenen Heliumkerne, auch Alpha-Teilchen genannt, selbst das Plasma weiter aufheizten. Dies ist die Grundlage für ein brennendes Plasma, mit dem sich prinzipiell viel mehr Energie freisetzen lässt als für den Betrieb der Laser eingesetzt wird. In den jüngsten Versuchen konnten so mehr als 100 Kilojoule Energie generiert werden, in einem Versuchslauf sogar 170 Kilojoule. Möglich wurde dieser Erfolg mit einer stabilen, kugelförmigen Fusionskapsel aus synthetischem Diamant. Zudem optimierten die Fusionsforscher die Fokussierung der Laserstrahlen und das Design der Hohlraumwände mit kleinen Auswölbungen. So konnten unerwünschte Ungleichmäßigkeiten beim Aufheizen mit den Laserstrahlen vermieden werden.

Diese Experimente belegen, dass ein ausgeklügeltes Design störende Effekte bei der Laserfusion minimieren kann. Das ist wichtig, um eine möglichst symmetrische Implosion des heißen Wasserstoffplasmas zu erreichen. Noch ist die Energiebilanz der Laserfusion unterm Strich negativ. Denn für den Betrieb der Laser ist mit etwa 400.000 Kilojoule noch ein Vielfaches der generierten Fusionsenergie nötig. Doch das sich selbst heizende brennende Plasma ist ein weiterer, wichtiger Schritt, um in vielleicht nicht mehr so ferner Zukunft Fusionsreaktoren mit einer positiven Energiebilanz entwickeln zu können.