Verschiedene Techniken der Kernfusion warten mit radikal neuen Ideen oder besseren Konzepten auf den Durchbruch

Ursprünglich veröffentlicht in „Physics of Plasma“ hat die Max-Planck-Gesellschaft den aktuellen Stand verschiedener Kernfusionssysteme kurz und prägnant zusammengefasst. Am interessantesten ist in diesem Zusammenhang sicherlich das sogenannte Tripelprodukt, das die Dichte der verfügbaren Atomkerne, deren Temperatur und die Dauer eines stabilen Zustands als Multiplikation dieser Werte darstellt.

Wenn das Ergebnis hoch genug ist, wird die Schwelle für eine positive Energiebilanz durch die jeweilige Technologie überschritten. Das bedeutet, dass mehr Energie herauskommt, als hineingesteckt wurde. Genau das gelang 2021 erstmals mit der Laserfusion. Die US-Forschungsanlage „National Ignition Facility“ feuerte Laserlicht auf Metallkugeln.

Die so ausgelöste Röntgenstrahlung erhitzt den Wasserstoff im Inneren auf die erforderliche Temperatur. Gleichzeitig erhöht sich der Druck im geschlossenen System erheblich, was die Kernfusion beschleunigt. Letztlich übersteigt die thermische Energie die benötigte Laserenergie.

In einem weiteren Schritt kann die Kugel auch direkt beschossen werden, bis sie implodiert, allerdings ohne zusätzliche Röntgenstrahlung. Dies funktioniert jedoch noch nicht sehr zuverlässig. Und leider muss jedes Mal eine neue Kugel eingefügt werden. Ein kontinuierlicher Betrieb, der für ein Kraftwerk notwendig wäre, ist mit dieser Methode nicht realisierbar.

Energiebilanz trifft auf Realität

Theoretisch ist jedoch ein Tokamak – ein riesiger Elektromagnet mit im Inneren zirkulierendem Plasma, der durch äußere Strahlung und innere Erwärmung auf Temperatur erhitzt wird – zu genau diesem Dauerbetrieb fähig. Allerdings ist der Energiebedarf so enorm, dass nicht einmal ITER, der erste noch im Bau befindliche voll funktionsfähige Kernfusionsreaktor, Strom erzeugen könnte – im Gegenteil.

Die Technologie ist jedoch ausgereift, seit Jahrzehnten erforscht und eignet sich für ein kommerzielles Kraftwerk, falls der Energieüberschuss jemals erreicht wird. Das bedeutet nicht, dass nicht doch ein anderes Konzept die bewährten Ideen überholen kann. Beispielsweise ist geplant, in einem Tokamak zusätzlichen Druck zu erzeugen. Dadurch würde sich die benötigte Temperatur deutlich reduzieren, so dass dieses Prinzip zumindest in Sichtweite der Machbarkeit liegt. Das Dreifachprodukt entspricht dem des JT-60U-Tokamaks in Naka, Japan. Das bedeutet, dass zehnmal mehr Energie benötigt wird, als produziert werden kann.

Andere Ideen zielen darauf ab, durch Aufprallenergie einen plötzlichen Druck- und Temperaturanstieg zu bewirken. „First Light Fusion“, ein Spin-off der Universität Oxford, zündet eine mit Wasserstoff gefüllte Kapsel. Die ausgelösten Stoßwellen sollen den nötigen Druck erzeugen, um bessere Bedingungen für die Kernfusion zu schaffen. Allerdings ist hier nur die Grundidee klar, die Umsetzung bleibt nebulös.

Und bei den Firmen TAE und Helion werden zwei bereits in Plasma umgewandelte Pakete mit maximaler Geschwindigkeit in ein Magnetfeld geschossen und kollidieren direkt miteinander. Allerdings muss man bisher tausendmal mehr Energie in dieses System stecken, als man zurückbekommt.

Bedingungen wie im Kern der Sonne: Ideen gibt es viele und die Forschung wird weitergehen, denn das noch ferne Ziel ist zu weit verlockend.

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