Verschmelzung von Atomkernen: Physiker gewinnen Energie mit Kernfusion

192 Laserstrahlen müssen gleichzeitig feuern, damit die Kernfusion in Gang kommt - die Komplexität der Technik stellt Forscher vor enorme Probleme

(Foto: AFP)

Durchbruch in den USA: Erstmals gewinnen Forscher mehr Energie aus der Kernfusion, als sie hineinstecken. Was bedeutet das für die Zukunft der Technologie?

Das zeitweise aufkommende Gefühl zu scheitern, gehört zum kreativen Prozess, sagen viele Künstler. Und das gilt womöglich auch in der Forschung - sogar in Großforschungseinrichtungen. Das europäische Kernforschungszentrum CERN stand vor knapp 15 Jahren vor einem finanziellen Desaster und wurde später mit dem Large Hadron Collider und der Entdeckung des Higgs-Teilchens berühmt.

Eine ähnlich teure Anlage in den USA, die National Ignition Facility (NIF) am kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory stand 2012 kurz vor dem Aus. Die mehr als fünf Milliarden Dollar teure Anlage hatte es bis dahin nicht geschafft, mit insgesamt 192 Hochleistungslasern eine Probe mit Wasserstoffisotopen derart zu erhitzen, dass deren Atomkerne verschmelzen und wie in einer verlangsamten Wasserstoffbombe Energie produzieren. Nach ungezählten Fehlschlägen und Verzögerungen wurde dem Superlaser daher vor zwei Jahren fast der Stecker gezogen.

Nun melden die Fusionsforscher an der National Ignition Facility einen Erfolg: Es sei gelungen, eine winzige Probe zweier Wasserstoff-Isotopen - Deuterium und Tritium - mit derart intensiven Laserblitzen zu beschießen, dass die Verschmelzung der Atomkerne in Gang kam und mehr Energie erbrachte, als die Laser in die Probe einbrachten (Nature, aktuelle Ausgabe).

Experimente allein lösen noch keine Energieprobleme

Eine neue Energiequelle? Schluss mit herkömmlichen Krafwerken? Nein, noch lange nicht. Die Idee, mit Laserblitzen Atomkerne fusionieren zu lassen, wie es im Inneren der Sonne geschieht, ist zwar grundsätzlich reizvoll. Ein Fusionsreaktor ließe sich anders als ein herkömmliches Kernkraftwerk gefahrlos abschalten und würde dauerhaft weniger strahlenden Abfall produzieren.

Doch wie auch das internationale Konkurrenzprojekt ITER - ein Versuchsreaktor, der zurzeit in Südfrankreich gebaut wird - stellen Fusionsexperimente noch längst keine nutzbaren Energiequellen dar. NIF und ITER sind vielmehr komplementäre Experimentieranlagen, die zwei sehr verschiedene Wege beschreiten, um leichte Atomkerne zu schwereren Kernen zu verschmelzen, was gemäß der Einsteinschen Energie-Masse-Beziehung einen Energiegewinn verspricht.

Im Inneren von ITER soll nach dessen geplanter Fertigstellung frühestens im Jahr 2019 ein ionisiertes Plasma aus Wasserstoff-Isotopen mithilfe eines Magnetfelds in einem Donut-förmigen Ring eingeschlossen werden. Dieses Plasma gilt es dann derart aufzuheizen, dass die Atomkerne fusionieren und das Plasma sowohl eigenständig auf der notwendigen Temperatur von mehreren Millionen Grad bleibt als auch überschüssige Energie an Turbinen und Generatoren abgibt.

Das Laserexperiment hingegen versucht, die Kernfusion zu zünden, indem eine Probe mit Wasserstoff-Isotopen kurzzeitig (weniger als eine Milliardstelsekunde lang) so intensiv bestrahlt wird, dass diese explodiert. Dadurch werden die Atomkerne im Inneren der Probe zusammengepresst und einige von ihnen verschmelzen zu Helium-Kernen, was Energie freisetzt.

Wie gelingt es, die Fusion von selbst zu erhalten?

Dass nun experimentell eine solche Miniaturfusion in Gang gekommen ist und rechnerisch mehr Energie geliefert hat, als der Laser in die Probe eingestrahlt hat, ist für Physiker ein Fortschritt. Doch auf dem Weg zu einer kommerziell nutzbaren Energiequelle sind noch viele Hindernisse zu überwinden. Noch längst nicht gelungen ist es zum Beispiel, die Fusion so zu zünden, dass sie sich wie ein Dieselmotor selbst in Gang hält. Dies war eigentlich bereits in den Jahren 2009 bis 2012 das Ziel einer US-weit ausgerufenen Forschungskampagne, konnte aber nicht erreicht werden.

Seither sind die Ziele bescheidener geworden. Nun geht es zunächst einmal darum, die Explosionen der winzigen Wasserstoff-Probe, die kleiner ist als ein Pfefferkorn, besser zu beherrschen und zu verstehen. Um einen echten, kontrollierbaren Fusionsprozess in Gang zu bringen, müssten etwa hundert Mal so viele Atomkerne in der bestrahlten Probe zur Fusion gebracht werden wie bisher gelungen ist.

Dass die Amerikaner diesen Schritt im Jahr 2015 erreichen wollen, darf man getrost als höchst ambitioniert bezeichnen. Kann die Zündung überhaupt mit den 192 Laserstrahlen der NIF erreicht werden? "Die Antwort ist unsicher", schreibt Mark Herrmann, Physiker bei den Sandia Laboratories und nicht direkt an den Versuchen beteiligt, in einem Kommentar der Zeitschrift Nature.