ENERGIE

Laser und Fusion – die perfekte Allianz?

Beobachtung des Oberflächenzustands der Beugungsgitter im mechanischen Schutzgehäuse von PETAL, wo sie im Vakuum konditioniert sind. © Agence Free Lens Philippe Labeguerie
Beobachtung des Oberflächenzustands der Beugungsgitter im mechanischen Schutzgehäuse von PETAL, wo sie im Vakuum konditioniert sind.
© Agence Free Lens Philippe Labeguerie
Vorverstärkermodul, in dem sich die beiden Etagen der parametrischen Verstärkung mit großem Spektralband befinden. In der ersten Phase des Projekts PETAL wird das Modul als Quelle für die Demonstration des Pulskompressionsverfahrens eingesetzt. © Agence Free Lens Philippe Labeguerie
Vorverstärkermodul, in dem sich die beiden Etagen der parametrischen Verstärkung mit großem Spektralband befinden. In der ersten Phase des Projekts PETAL wird das Modul als Quelle für die Demonstration des Pulskompressionsverfahrens eingesetzt.
© Agence Free Lens Philippe Labeguerie

Der Zugang zu sauberer und unerschöpflicher Energie ist keine Utopie mehr. Das behaupten jedenfalls die Befürworter der Kernfusion, die es eindeutig begrüßen, dass das ambitiöse Projekt HiPER – High Power Laser Energy Research Facility – ins wissenschaftliche Blickfeld rückt. Als alternativer Ansatz zur Nutzung von Magneten, wie sie von ITER(1) verfolgt wird, kann die von HiPER entwickelte Trägheitsfusion ebenso überzeugen. Der Weg ist noch weit, aber die jüngsten Versuchsergebnisse geben Grund zu Hoffnung.

Unerschöpfliche Ressourcen, wenig Abfall, geringe Umweltfolgen, völlige Sicherheit und Kompatibilität mit den bestehenden Stromnetzen. Die Fusion bietet so viele Vorteile, dass die Menschheit darauf nicht mehr verzichten könnte. Das Prinzip ist seit den 1950er Jahren bekannt: Deuterium- und Tritiumkerne werden zum Zusammenschluss gezwungen und es entstehen Helium, Neutronen und eine enorme Menge Energie. Das Ganze ist einfach in der Theorie, aber kompliziert in der praktischen Umsetzung, da diese Reaktion nur bei sehr hoher Dichte und extremen Temperaturen ausgelöst wird.

Die theoretischen und experimentellen Studien haben zu zwei Forschungsansätzen geführt. Zum einen gibt es das Schema eines Rings, in dem heißes Plasma in einem Magnetfeld eingeschlossen wird – dieser Ansatz wird von ITER verfolgt. Der alternative Weg ist der Trägheitseinschluss, auch Laserfusion genannt, bei dem mithilfe sehr leistungsstarker Laserstrahlen zuvor komprimierte Brennstoffpellets zur Implosion gebracht werden. Diesen zweiten Ansatz haben die Entwickler von HiPER gewählt.

Hoher Mehrwert

„Wir freuen uns, dass HiPER seit 2006 zu den wissenschaftlichen Einrichtungen gehört, die das ESFRI – European Strategy Forum on Research Infrastructures – unterstützt“, erklärt Projektkoordinator Mike Dunne. „Gegenwärtig befindet sich HiPER in der Vorbereitungsphase und wird mit 3 Mio. EUR unter dem Themenbereich „Infra strukturen“ des 7. Rahmenprogramms (RP7) sowie einem Mehrfachen dieses Betrags von den nationalen Agenturen finanziert. Die technische Demonstrationsphase beginnt 2011 und wird Ende des nächsten Jahrzehnts mit dem Bau abgeschlossen, dessen Budget sich auf etwa eine Milliarde Euro belaufen wird.“

Diese gigantischen Investitionen sind sowohl auf die Komplexität der technischen Innovationen als auch auf die für ihre Beherrschung notwendigen Anwendungen zurückzuführen. „Die Erfahrungen der letzten fünfzig Jahre haben gezeigt, dass für eine selbstunterhaltende Fusion Temperaturen von bis zu 50 Millionen Grad und eine Dichte von mindestens 1 kg/cm3, das heißt die 50-fache Dichte von Gold, erforderlich sind“, ergänzt Mike Dunne. „Außerdem handelt es sich um ein repetitives Verfahren, denn die nur eine Nanosekunde langen Laserpulse müssen mit den Pellets von einem Millimeter Durchmesser ausgerichtet werden und das fünf Mal pro Sekunde.“ Um eine kontrollierte Fusion zu erzielen, untersuchen die Forscher folglich noch relativ unerforschte Bereiche der Physik und die damit verbundenen eventuellen zukünftigen Anwendungen.

„Und die Liste wird lang!“, versichert Mike Dunne. „Wenn es uns gelingt, die hohen Wiederholungsraten in Verbindung mit Hochenergielaser- Technologie zu kontrollieren, hat das Auswirkungen auf die verschiedensten Aktivitäten angefangen bei der Produktion von Radioisotopen, der Onkologie oder sogar auf die nächste Generation von Lichtquellen. Grundsätzlich sind große Fortschritte auf dem Gebiet der extremen Materialwissenschaft, der Nuklearphysik sowie der Plasmaphysik zu erwarten.“

Hand in Hand

Um diese technologische Herausforderung zu meistern, müssen noch zahlreiche Etappen bewältigt werden. Jede Schwierigkeit des HiPER-Verfahrens ist Gegenstand vorbereitender Studien. Hierzu gehört auch das Projekt PETAL – Petawatt Aquitaine Laser –, das auf europäischer (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung, EFRE), nationaler (Frankreich) und regionaler (Aquitaine) Ebene finanziert wird und dessen wichtigste Rolle darin besteht, den geeigneten Laseraufbau zu entwickeln, mit dem sich die Fusionsreaktionen auslösen lassen. Die Validierungsphase der wichtigsten technologischen Hürden – das heißt die Überwindung der experimentellen Probleme mittels innovativer Technologien – wurde kürzlich erfolgreich abgeschlossen und der Bau des Geräts hat begonnen.

„Die Projektkoordinatoren beschlossen 2006, das PETAL-Projekt auf der Roadmap des ESFRI in HiPER zu integrieren“, erklärt Christine Labaune, Forschungsleiterin am französischen Centre National de Recherche Scientifique (CNRS) und Mitglied des wissenschaftlichen Ausschusses der beiden Programme. „Aus wissenschaftlicher und technologischer Sicht stellt PETAL die erste Phase von HiPER dar. Seit dem Projektstart koordiniert ein internationaler wissenschaftlicher Ausschuss die Vorbereitung der Experimente, anhand derer die Bereiche der Physik validiert werden können, die HiPER zum Erfolg führen werden. Außerdem wird PETAL als Bildungsplattform dienen, auf der sich Wissenschaftler das notwendige Fachwissen für den Umgang mit großen Lasern aneignen können. Darüber hinaus haben alle die Möglichkeit, an einem Programm mitzuarbeiten, wodurch Europa gegenüber Amerika und Asien wettbewerbsfähig wird.“ Dabei muss man jedoch zugeben, dass die Anlagen Omega EP in den USA und FIREX in Japan bereits betriebsbereit sind, während PETAL für 2011 geplant ist.

Technisches Können auf hohem Niveau

Noch vor wenigen Jahren glaubten die Wissenschaftler, dass eine Fusion erreicht wird, wenn das Deuterium-Tritium-Pellet mit Pulsen im Nanosekundenbereich so lange komprimiert wird, bis ein „heißer Fleck“ entsteht. Allerdings ist dieses Vorgehen wegen der zu starken Instabilität nicht möglich. Christine Labaune erklärt, dass die Teams von PETAL und HiPER daher beschlossen haben, einen anderen Weg einzuschlagen. „Kompressions- und Heizphase müssen unbedingt von einander abgekoppelt werden. Das wird Schnellzündung genannt. Das Prinzip besteht darin, kurze Pulse im Petawattbereich( 2) als Zündug zu verwenden, nachdem das Ziel mit anderen Impulsen im Nanosekundenbereich komprimiert wurde. Das System sollte zuverlässiger werden und einen Energiegewinn von mehr als 1 bringen, vielleicht von bis zu 10 oder 100.“

„Mit PETAL“, fährt Christine Labaune fort, „wollen wir beweisen, dass wir in der Lage sind, Technologien zu entwickeln, die energiereiche Kurzpulse für die Zündung erzeugen. Eine Hochenergielaser-Kette besteht aus drei Teilen. Ein Vorverstärker-Oszillator erzeugt einen kurzen Puls mit kleinem Durchmesser. Er durchquert eine Reihe von Neodymglasplatten, die mit Blitzlampen gepumpt werden, was zur Emission von Photonen führt. Diese werden vom Ausgangspuls aufgenommen, der sich folglich immer mehr verstärkt. Gleichzeitig wird der Pulsdurchmesser vergrößert, wobei eine angemessene Energiedichte beibehalten wird, um die optische Wirkung zu erhalten. Der nur einen Bruchteil einer Pikosekunde(3) dauernde Puls wird also auf der gesamten Strecke ausgedehnt und dann kurz vor dem Ausgang durch eine Reihe von Gittern wieder rückkomprimiert. Dank dieses Verfahrens kann ein Ausgangspuls von wenigen Millijoule am Ende etwa 3 500 Joules erreichen und dabei trotzdem kurz bleiben. Dadurch wird PETAL die Anlage mit dem weltweit höchsten Leistungs-/Energieverhältnis.“

Sensibilisierung der Investoren

Angesichts der hohen Investitionen bieten PETAL und HiPER eine gute Gelegenheit, um ein großes Grundlagenforschungsprogramm zur Erforschung der Materie in ihren extremen Zuständen aufzustellen. Das Hauptziel dieser Anlagen ist jedoch die kontrollierte Energieproduktion durch Kernfusion. Wenn man weiß, dass das in einem Notebook-Akku enthaltene Lithium (eine Tritiumquelle) zusammen mit dem in einer halben Badewanne Wasser vorhandenen Deuterium ausreichen würde, um den Strombedarf des Vereinigten Königreichs 30 Jahre lang abzudecken, ist es nur schwer verständlich, warum sich der private Sektor mit Großinvestitionen in diese Projekte derart zurückhält.

„Das ist natürlich bedauerlich“, bestätigt Christine Labaune. „Die einzige langfristige und unerschöpfliche Energie ist die Kernkraft. Da die Kernspaltung zahlreiche Probleme im Hinblick auf radioaktive Abfälle, Sicherheit und begrenzte Brennstoffvorkommen nach sich zieht, bleibt der Menschheit nur noch eine Lösung, nämlich die Kernfusion. Wir bleiben dabei, dass sich Laser hervorragend dazu eignen, diese Art der Energieproduktion auf der Erde zu reproduzieren. Folglich handelt es sich um angewandte Forschung. Daher sollten sich private Organisationen für diese Problematik interessieren. Wir müssen die Industrieunternehmen finden, die morgen unsere Kraftwerke bauen und mit Gewinn betreiben. Wenn sie nämlich heute in diese Forschungsarbeiten investieren, kann Europa seine Unabhängigkeit bei der Energieversorgung bewahren. Wenn unserer wissenschaftlichen Gemeinschaft die notwendigen Mittel nicht zur Verfügung gestellt werden, um an der Spitze zu bleiben, werden wir vollständig von den Ländern abhängig sein, denen es gelungen ist, diese Technologie zu beherrschen.“

Marie-Françoise Lefèvre

  1. ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor, see “ITER emerges from the earth”, research*eu Ausgabe 61, Juli 2009.
  2. Peta = 1015
  3. Pico = 10-12

TOP

Mehr Wissen