Kettenreaktion Kernfusion

Die gebündelten Laserstrahlen treffen die Kapsel darin entweder direkt durch Eintrittsfenster im Zylinder, oder sie prallen auf dessen Innenwand, wo ihre Energie in Röntgenstrahlung umgesetzt wird. In beiden Fällen bringen die konzentrischen Strahlen die Deuterium-Tritium-Schicht darin zur Implosion. Dabei werden die „Zündbedingungen“ erreicht – also eine extrem hohe Dichte von mehr als dem Hundertfachen von Blei, der hundertmilliardenfache Druck der Erdatmosphäre und über 100 Millionen Kelvin Temperatur –, sodass die kettenreaktionsartig weiterlaufende Kernfusion startet. Dass dafür höchste Fertigungspräzision erforderlich ist, liegt auf der Hand: Die Toleranzen für diese Komponenten – etwa die Abweichung der Brennstoffkapseln von der idealen Kugelform – liegen bei nur wenigen Mikrometern.

Im Experimentalbetrieb der NIF werden Kapsel und Zylinder von Metallträgern exakt im Zentrum der Reaktionskammer gehalten. Pro Tag sind nur wenige Laserschüsse auf dieses Ziel möglich. In einem Fusionskraftwerk müssen die Kapseln jedoch Schlag auf Schlag detonieren, optimal sind fünf bis zehn Zündpulse pro Sekunde. In diesem Rhythmus müssen die Hohlzylinder mit den Brennstoffkapseln in die Reaktionskammer geschossen werden. Dies soll mittels spezieller Gaskanonen geschehen, alternativ kommen elektromagnetische Beschleuniger in Betracht. Die Projektile werden dabei über 100 Meter pro Sekunde schnell. Ein Zielerfassungssystem verfolgt ihre Bahn und lenkt die Laserstrahlen auf sie.

Bereits bei fünf Schüssen pro Sekunde werden täglich über 400 000 Projektile benötigt. Sie sollen in einer speziellen Fertigungsstätte hergestellt werden. Um die Kosten für die Stromproduktion in Grenzen zu halten, darf ihr Preis 25 Cent nicht über- und der Energiegewinn den Faktor 100 nicht unterschreiten. Tatsächlich setzt jede gezündete Kapsel die hundertfache Menge der Energie frei, die für die Erzeugung der Laserpulse benötigt wird. Sie ist in den Fusionsprodukten enthalten. Dazu zählen Röntgenstrahlen und hochenergetische Heliumionen, in erster Linie aber Neutronen, die nach der Zündung durch die Reaktionskammer schwirren. Letztere tragen rund 70 Prozent der freigesetzten Energie. Sie prallen auf die Wand der Kammer und erhitzen diese. Die Wärme wird genutzt, um Wasserdampf zu erzeugen, der zur Stromerzeugung dann eine konventionelle Turbine antreibt.

Miniaturstern auf Erden

Für diesen Prozess aber bedarf es einer speziellen Ausgestaltung der Kammer. Sie ist mit einer 0,5 bis einen Meter dicken Schicht aus Lithium ausgekleidet, das als Festkörper, geschmolzenes Salz oder Flüssigmetall vorliegen kann. Dieser sogenannte Brutmantel absorbiert die Neutronen. Dabei entsteht durch kernphysikalische Prozesse Tritium, das abgeschieden wird und als Fusionsbrennstoff dient. Ein Kühlmittel – etwa flüssiges Lithium oder Heliumgas – nimmt die Hitze des Brutmantels auf und gibt sie über Wärmetauscher an den Dampferzeuger ab.

Mit dieser Technologie, erklären die NIF-Physiker stolz auf ihren Internetseiten, werde „ein Miniaturstern auf Erden“ geschaffen. Tatsächlich gleichen die physikalischen Verhältnisse in den implodierenden Brennstoffkapseln denen im Innern von Sternen oder Riesenplaneten wie Jupiter, wo auch irrwitzige Drücke und Temperaturen herrschen. Deshalb nutzen Astrophysiker die NIF auch zur Grundlagenforschung für ihr Fach. So wollen Wissenschaftler der University of California die gewaltigen Laser auf ein winziges Eisenkügelchen richten, um zu sehen, wie sich das Metall unter dem Druck der entstehenden Schockwelle verhält. Ziel ist, die chemischen Vorgänge bei der Entstehung von Riesenplaneten zu simulieren. Und weil die Zündung der Fusionsreaktion der Detonation einer Atombombe gleicht, können Militärforscher auch die Funktion ihrer Vernichtungswaffen simulieren, als Ersatz für die mittlerweile verbotenen Testexplosionen.

Neben Lasern lassen sich für Fusionskraftwerke auch Schwerionenstrahlen nutzen, wobei elektrisch geladene Atome von Neon, Xenon, Quecksilber oder Blei auf die Brennstoffkügelchen geschossen werden. Sie haben eine sehr viel höhere Energiedichte als Laser und könnten daher Energie mit einem deutlich besseren Wirkungsgrad erzeugen. Bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt etwa wird an dieser Technologie geforscht. Doch solche Ansätze stehen gegenüber der Laserfusion erst am Anfang.

Fusionsreaktor Sonne

Ob und wann kommerzielle Fusionskraftwerke gebaut werden können, weiß niemand. Experten halten die Inbetriebnahme der ersten Anlage mit Magneteinschluss um 2050 für möglich. Wann die Laserfusion so weit sein könnte, ist unklar. Vermutlich verhält es sich dabei ähnlich wie bei der Magnetkonkurrenz, die seit 40 Jahren verspricht, in 40 Jahren werde es so weit sein.

Da ist es sicher vernünftiger – und auf jeden Fall billiger –, einen Fusionsreaktor zu nutzen, dessen Funktion seit über 4,5 Millionen Jahren nachgewiesen ist und der seither störungsfrei brennt – nämlich unsere Sonne. Sie wirft uns alljährlich ein Vielfaches der Energie zu, die wir weltweit benötigen. Auch einen steigenden globalen Energiebedarf kann sie also auf lange Zeit noch mühelos decken.

Deshalb erscheint es lohnender, die Techniken zum Einfang und zur Verteilung dieser Energie zu optimieren, statt wieder riesige zentrale Kraftwerke zu bauen, die abermals nur von den Abzockern der Stromwirtschaft betrieben werden können. Einige Politiker haben dies offenbar begriffen und setzen nun auf die Solarenergie, was im Sinne künftiger Generationen ein ermutigendes Zeichen ist.