Trägheitsfusion

Grundidee und Bedeutung

Trägheitsfusion, englisch inertial confinement fusion (ICF), bezeichnet Kernfusionsverfahren mit Trägheitseinschluss. Dabei werden für sehr kurze Zeit Bedingungen für thermonukleare Reaktionen geschaffen, meist für die Verschmelzung der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Eine synonyme Bezeichnung ist Inertial Fusion Energy (IFE). Die Trägheitsfusion gehört zur Hochenergiedichtephysik (HEDP) und nutzt meist Hochleistungs-Laser als Energie- oder Treiberquelle; deshalb wird sie auch Laserfusion genannt. Sie ist eine Alternative zur Fusion mit magnetischem Einschluss, etwa in Tokamak- oder Stellaratorreaktoren.

Der Brennstoff befindet sich in einem nur wenige Millimeter großen, kugelförmigen Fusionstarget. Durch sehr schnelle Energiezufuhr wird er extrem verdichtet und auf etwa 100 Millionen Grad aufgeheizt. Auf diese Weise wird das Lawson-Kriterium erfüllt: Die notwendige Kombination aus Dichte, Temperatur und Einschlussdauer entsteht nicht durch ein Magnetfeld, sondern durch die hohe Dichte und die kurze Dauer der Implosion.

Eine mehrtausendfache Dichtekompression ist erforderlich, damit die bei der Fusion entstehenden energiereichen Heliumatomkerne ihre Energie durch Stöße wieder an den Brennstoff abgeben. So kann ein großer Teil des Brennstoffs „abbrennen“. Die nötige Einschlussdauer beträgt nur Nanosekunden. In dieser kurzen Zeit hält die Masseträgheit des Plasmas das Material zusammen, wodurch sich die Bezeichnung Trägheitsfusion erklärt.

Der Ablauf besteht aus vier wesentlichen Stationen: Laser- oder Röntgenstrahlung erhitzt die Oberfläche des Fusionstargets und erzeugt dort Plasma. Der Rückstoß der nach außen expandierenden äußeren Schicht komprimiert den Brennstoff nach innen. Dabei werden die für die Zündung nötige Dichte und Temperatur erreicht. Anschließend beginnen die Fusionsprozesse; Neutronen und Heliumatomkerne können ein Vielfaches der eingesetzten Energie freisetzen. Wegen der Ähnlichkeit des Prinzips wird die Trägheitsfusion auch als „Miniaturisierung der Wasserstoffbombe“ bezeichnet.

Historische Entwicklung und Forschungsziele

Das Interesse an der Trägheitsfusion entstand zunächst vor allem aus militärischen Gründen. Nach dem Atomteststoppvertrag von 1963 wurde sie als Möglichkeit betrachtet, die Entwicklung von Nuklearwaffen ohne oberirdische Kernwaffentests zu untersuchen. Die sehr kleinen Brennstoffmengen im Milligrammbereich konnten in einer gut zugänglichen Reaktionskammer eingesetzt werden. Da ein verwandtes Prinzip in thermonuklearen Waffen wie der Wasserstoffbombe verwendet wird, unterlag das Gebiet lange der Geheimhaltung.

Seit den frühen 1970er Jahren ermöglichten leistungsfähige Neodym-Glas-Laser, darunter Nd:YAG-Laser, größere Fortschritte. 1972 veröffentlichten John Nuckolls und Kollegen erstmals öffentlich Überlegungen zur Laser-Trägheitsfusion und zu einer möglichen Energieerzeugung. Weitere frühe Beiträge stammen von John Lindl. Das Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA wurde mit dem Shiva-Laser in den späten 1970er Jahren und dem leistungsfähigeren NOVA-Laser in den 1980er Jahren zu einer führenden Einrichtung. Eine wichtige Grundlage war das Computerprogramm LASNEX, mit dem sich die physikalischen Prozesse modellieren und Nova-Experimente planen und auswerten ließen.

NOVA konnte kein Fusionstarget zünden, lieferte aber die wissenschaftliche Grundlage für den Bau der National Ignition Facility (NIF), der ab 1997 genehmigt wurde. Die zunächst auf 1,2 Mrd. USD geschätzten Kosten im Programm „Stockpile Stewardship“ stiegen bis zur Inbetriebnahme auf 3,5 Mrd. USD. Ab den 1990er Jahren wurden in den USA viele militärische Details schrittweise deklassifiziert, um auch zivile Forschung zu ermöglichen.

Zivile Anwendungen, insbesondere ein Kraftwerk, werden verstärkt seit den 2010er Jahren untersucht. Größere ausschließlich zivile Anlagen sind seit den 1990er Jahren OMEGA an der University of Rochester in den USA und GEKKO in Osaka, Japan. GEKKO ist die größte Trägheitsfusionsanlage eines Landes ohne eigene militärische Kernenergieforschung. Weitere mittlere und kleine Anlagen untersuchen die Physik dichter Plasmen, darunter in Deutschland der PHELIX-Laser an der GSI Darmstadt.

Verfahren zur Kompression und Zündung

Für die schnelle Energiezufuhr können fein fokussierbare Licht- oder Teilchenstrahlen verwendet werden. Die beiden grundlegenden Verfahren sind indirect drive und direct drive. Eine Weiterentwicklung ist fast ignition; außerdem gibt es die lasergetriebene „Strahlfusion“ für die Proton-Bor-Reaktion.

Beim indirect drive wird die Laserenergie durch kleine Öffnungen in einen einige Millimeter großen Hohlkörper geleitet. Im Inneren befindet sich eine kleine Kugel aus einigen Milligramm festem Fusionsbrennstoff, etwa ein gefrorenes Deuterium-Tritium-Gemisch. Mindestens zwei Strahlen aus entgegengesetzten Richtungen, meist jedoch Bündel aus vielen Strahlen, treffen auf die Innenwand des Hohlkörpers. Die Wand wird so stark erhitzt, dass ihr Plasma thermische Röntgenstrahlung aussendet. Durch Strahlungstransport werden die Oberflächen gleichmäßig erhitzt. Das nach außen fliegende Plasma erzeugt durch seinen Rückstoß eine nach innen gerichtete Kompression. Im Zentrum der kugelförmigen Schockwelle entsteht die für die Fusion erforderliche Temperatur.

Beim direct drive wird die mit dünnem Glas oder Metall umhüllte Brennstoffkugel direkt durch die Treiberstrahlen komprimiert. Dieses Verfahren überträgt Energie effizienter auf das Target, verlangt aber eine besonders genaue Kugelsymmetrie. Die Rayleigh-Taylor-Instabilität verstärkt jede Abweichung von der exakten Symmetrie und kann dadurch die notwendige Kompression verhindern.

Bei fast ignition werden Kompression und Zündung getrennt. Ein zusätzlicher hochintensiver, extrem kurzer Laserpuls wird auf das bereits komprimierte Target gerichtet und soll es möglichst zentral bis zur Fusionszündung aufheizen. Die Methode wurde in den späten 1990er Jahren am LLNL entwickelt. Wegen der komplizierten Physik beim Eindringen des Laserpulses in den hochkomprimierten Brennstoff erwies sie sich als schwierig, wird aber weiterhin experimentell und theoretisch untersucht.

Große Anlagen und aktueller Stand

Für ein Kraftwerk reicht ein einzelner erfolgreicher Schuss nicht aus. Während NIF typischerweise nur ein bis zwei Schüsse pro Tag durchführt, müssten in einem Reaktor Targets mehrere Male pro Sekunde positioniert und gezündet werden. Zusätzlich müsste der Treiber einen ausreichend hohen Wirkungsgrad besitzen, damit insgesamt ein Netto-Energiegewinn entsteht. Die Forschung konzentrierte sich daher zunächst auf den experimentellen Nachweis einer einmaligen Zündung mit Energiegewinn.

Die National Ignition Facility (NIF) am LLNL in Livermore umfasst auf 20.000 m² 192 Hochleistungslaser. Ihre Strahlen laufen in einer kugelförmigen Reaktionskammer mit 10 Metern Durchmesser zusammen. In der Mitte wird ein wenige Millimeter großer Hohlraum für indirect drive angebracht. NIF nahm 2009 den Vollbetrieb auf; im Oktober 2010 wurde erstmals ein vollwertiger Schuss in ein Tritium enthaltendes Fusionstarget eingekoppelt. Im Juli 2012 wurden 500 Terawatt Spitzenleistung und 1,85 Megajoule Pulsenergie erreicht.

2013 bezeichnete das LLNL ein Ergebnis als „Scientific breakeven“, weil 14 Kilojoule Fusionsenergie gegenüber 10 Kilojoule Energie entstanden, die der Laser in den heißesten Brennstoffbereich übertragen hatte. Kritiker verwiesen dagegen auf die insgesamt eingesetzten 1,8 Megajoule Laserenergie; nach diesem Kriterium lag das Ergebnis noch um mehr als einen Faktor 100 vom Scientific breakeven entfernt. Im August 2021 wurden 1,35 MJ Fusionsenergie bei 1,9 MJ Laserenergie gemeldet. Am 5. Dezember 2022 entstanden 3,15 MJ bei 2,05 MJ Laserenergie, also 50 % mehr Output als Input im Hohlraum. Im Februar 2024 wurden 5,2 MJ bei 2,2 MJ Laserenergie erreicht. Berücksichtigt man jedoch den elektrischen Aufwand der Laser, entsprachen 3,15 MJ Output nur etwa einem Prozent von 322 MJ Input. NIF ist daher weder auf Engineering breakeven noch auf Economic breakeven ausgelegt.

Das französische Laser Mégajoule (LMJ) wird seit 2004 nahe Bordeaux aufgebaut. Es soll mit 176 Einzelstrahlen und 1,8 Megajoule Laserenergie ähnliche indirect-drive-Experimente ermöglichen; die volle Leistung soll 2025 erreicht werden. Die europäische Anlage HiPER sollte fast ignition zur Demonstration einer Energiequelle einsetzen. Ihre Vorbereitungsphase 2008–2013 am Rutherford Appleton Laboratory wurde jedoch nicht in eine Entwicklungs- und Bauphase überführt. Untersuchungen zu fast ignition laufen weiterhin an OMEGA, im FIREX-Projekt der Osaka University und am NIF.

Ionenstrahlen und Proton-Bor-Fusion

Bis in die 1990er Jahre galten blitzlampengepumpte Festkörperlaser wegen ihres geringen Wirkungsgrads und ihrer niedrigen Schussfolge als ungeeignet für Kraftwerke. Deshalb wurden Ionenstrahl-Treiber als Alternative untersucht. Die technische Weiterentwicklung und Verbilligung diodengepumpter Laser durch die Massenproduktion in den 1990er Jahren schwächte dieses Interesse jedoch ab.

Schwerionenstrahlen haben auch bei hoher Energie eine ausreichend kurze Reichweite in dichter Materie, um ihre Energie an das Fusionstarget abzugeben. Für sie stehen ausgereifte Beschleunigertechniken der Kern- und Hochenergiephysik zur Verfügung. Dadurch sind ein hoher Wirkungsgrad und eine günstige Schussfolge möglich. Theoretische Studien in den USA und Europa untersuchten das Verfahren bis Ende der 1990er Jahre. Die europäische HIDIF-Studie von CERN und GSI lief von 1995 bis 1998. Sie zeigte, dass ein auf indirect drive beruhendes Schwerionensystem einen hohen beschleunigertechnischen Aufwand erfordern würde, der einen wirtschaftlichen Betrieb zumindest auf dieser Grundlage unwahrscheinlich erscheinen ließ.

Leichtionenstrahlen, beispielsweise Lithiumionen, können ebenfalls extrem kurz gepulst werden. Sie wurden besonders in den 1970er und 1980er Jahren untersucht, unter anderem in der internationalen LIBRA-Studie. Der weiterhin ausstehende Nachweis einer zuverlässigen Zündung führte dazu, dass auf der Treiberseite keine weiteren umfassenden Ionenstrahl-Studien folgten.

Kurz gepulste Hochleistungslaser führten seit den Experimenten von Belyaev et al. aus dem Jahr 2005 zu neuem Interesse an der p^{11}B-Reaktion. Dabei entstehen drei ^{4}He-Kerne mit einem Energiegewinn von 8,7 MeV, ohne Neutronenproduktion und ohne Tritium. Die Reaktion wird nicht durch die klassische thermonukleare Dichtekompression betrieben, denn dafür wären weit höhere, mit heutigen Mitteln praktisch nicht erreichbare Temperaturen nötig. Bei der alternativen „Strahlfusion“ beschleunigt ein Pikosekunden- oder noch kürzerer Laserpuls Protonen in einem Wasserstoff-Bor-Target auf die optimale Relativenergie von etwa 0,6 MeV.

Die Forschung befand sich 2021 noch im Stadium eines wissenschaftlichen „Proof of Concept“. Am PALS-Laser wurden pro Schuss 130 Milliarden ^{4}He-Teilchen nachgewiesen; etwa 0,01 Prozent der 600 Joule Laserenergie wurden in kinetische Energie der Heliumkerne umgewandelt. Projekte wie HB11-ENERGY von Heinrich Hora setzen auf eine mögliche „Fusionslawine“, bei der energiereiche Heliumkerne durch Stöße weitere Wasserstoffkerne auf etwa 0,6 MeV bringen. In den USA verfolgen mehrere Start-ups ähnliche Ziele; in Deutschland arbeitet daran Marvel Fusion.