BuMa_2010_04 - Deutsche Bunsengesellschaft für Physikalische ...

DEUTSCHE BUNSEN-GESELLSCHAFT
Zwei Möglichkeiten werden experimentell verfolgt, um dieses
Ziel zu erreichen: der Trägheitseinschluss mit extrem hoher
und der magnetische Einschluss des Plasmas mit sehr niedriger
Teilchendichte.
Trägheitseinschluss
Die Massenträgheit eines aus einem Kügelchen festen Deuterium-Tritium-Gemischs
durch Laserblitze erzeugten und gezündeten
Deuterium-Tritium-Plasmas verzögert dessen Expansion
lange genug, um die Fusionsreaktion nahezu vollständig ablaufen
zu lassen. Der Vorgang wird höchstens einen Zeitraum im
Nanosekundenbereich beanspruchen; das Lawson-Kriterium
fordert damit unter idealen Bedingungen eine Plasmadichte
von wenigstens 5•10 28 Deuterium- und Tritiumionen je m 3 . Unter
praktischen Bedingen sollte die Dichte hundertfach höher sein.
Bei einem Fusionszyklus wird ein Kügelchen (Pellet) von einem
Durchmesser weniger Millimeter durch die simultanen
Lichtimpulse einer Vielzahl von Hochleistungslasern (Pulsdauer
3•10 -10 s, Gesamtenergie 3•10 6 J) allseitig bestrahlt
(Abb. 5a). Die Laserenergie wird in thermische Energie umgewandelt,
die nach innen weitergeleitet wird, die aber auch
eine Schicht von wenigen mm aus der Oberfl äche des Pellet
explosionsartig verdampft (Abb. 5b); durch die dadurch entstehende
Druckwelle wird das Pellet auf ein tausendstel seines
ursprünglichen Volumens komprimiert (Abb. 5c), wobei
sich ein Plasma mit N/V ≈ 10 32 / m 3 und T ≈ 10 8 K bildet. Die
Forderungen des Lawson-Kriteriums sind also erfüllt. Die Fusion
wird gezündet, breitet sich nach außen aus und erfasst
schließlich auch den Bereich des vorher verdampften Fusionsgemisches
(Abb. 5d). − Es sind somit Miniwasserstoffbomben,
die hier zur Energiegewinnung eingesetzt werden.
a b c d
a b c d
Abb. 5. Laserinduzierte Fusion eines Deuterium-Tritium-Pellets (Pfeile blau:
Laserstrahlung, gelb: verdampfte äußere Schicht, rot: in thermische Energie
umgewandelte Laserenergie.
Für ein Fusionskraftwerk von 1 GW(thermisch) müsste jede Sekunde
ein Pellet von etwa 2 mg der Laserfusion zugeführt werden.
Das Konzept sieht verlockend aus, aber es erscheint nicht sicher,
ob es zur Energiegewinnung taugt. Um das Plasma auf
die angegebene Temperatur aufzuheizen, ist pro Deuteron und
Triton und den dazugehörenden zwei Elektronen, also für vier
Teilchen die Energie 8,3•10 –15 J (= 4•3/2 kT) als Laserenergie
aufzuwenden; die freiwerdende Fusionsenergie (s. oben) ist
4,2•10 –12 J (= 26,2•10 6 V•1,6•10 –19 As); d.h. der Energiegewinn
ist etwa 500-mal größer als die eingestrahlte Laserenergie.
Aber der Wirkungsgrad der Hochleistungslaser ist in der Größe
von nur 1 %, und bei Berücksichtigung des normalen Carnot-
Umwandlungsfaktors für die Erzeugung elektrischer Energie
aus thermi scher Energie ist der Bruttoenergiegewinn marginal.
ASPEKTE
Abb. 6. Behälter für das Trägheitsfusionsexperiment NIF: In die rund zehn
Meter große Kammer werden die Strahlen von 192 Hochleistungslasern
geleitet und auf ein Deuterium-Tritium-Pellet von nur wenigen Millimetern
Durchmesser fokussiert (SPIEGEL ONLINE 05.03.2009).
Trotzdem ist in den USA (Lawrence Livermore National Laboratories)
die National Ignition Facility (NIF) mit einem Kostenaufwand
von mehreren Mrd. $ gebaut worden, die mit 192 von
allen Seiten auf ein Pellet von ein paar mm Durchmes ser fokussierten
Lasern die Fusion auslösen soll (Abb. 6). Dabei werden
kaum mehr als 5 Fusionsexperimente je Tag möglich sein. Die
Anlage ist im letzten Jahr in Erprobung genommen worden mit
der erfolgreichen Überprüfung des gesamten Lasersystems. 11
Es gibt jedoch kritische Stimmen, die nicht an die Realisierbarkeit
der wirtschaftlichen Energiegewinnung durch laserinduzierte
Kernfusion mit Trägheitseinschluss glauben, sondern
vermuten, dass die Untersuchungen eher militärischen Zielen
dienen, z.B.: 12 „NIF …. will be able to create the extreme conditions
of tempe rature and pressure that exist on Earth only in
exploding nuclear weapons and that are therefore relevant to
understanding the operation of our modern nuclear weapons.”
Als Alternative zur laserinduzierten Fusion wird diskutiert, die
Kompression und Aufhei zung der Pellets mit Hilfe von Schwerionenbeschleunigern
zu erzwingen. 13 Die Versuche hierfür sind
jedoch noch nicht soweit fortgeschritten wie beim Laserverfahren;
die Schwierigkeiten aber erscheinen immens: um etwa die
gleiche Beschleuniger leistung wie mit den 192 Hochleistungslasern
des NIF zu erzeugen (3•10 6 J in 3•10 -10 s, d.h. ≈ 10 16
W) müsste bei einer Beschleunigungsspannung von z.B. 10 GV
ein Ionenimpulsstrom von 1 MA erzielt werden!
Magnetischer Einschluss 14
Das Konzept, das Plasma in einer magnetischen „Flasche“ einzuschließen,
erscheint dagegen eher realisierbar.
11 D. Clery, Science, Band 327, S. 514 (2010)
12
Plasma 2010 Commity, Plasma Sciende: Adcvancing knowledge in the
National Interest. National Research Council, 2007.
Physik Journal, 9 (2010), Nr. 6.
13
GSI-Nachrichten 3/99, S. 18.
14
Kernfusion, Berichte aus der Forschung: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik,
2002.
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