Forscher finden eine mögliche Abkürzung zur effizienten Kernfusion

Forscher der Princeton University haben einen Ansatz vorgestellt, der den Weg zur Kernfusion deutlich vereinfachen könnte. Sie zeigen, wie sich der für eine anhaltende Fusionsreaktion notwendige Zustand mit viel weniger Energie erreichen lässt.

Um den Berg herum

Die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Forschungsarbeit könnte damit helfen, zukünftige Fusionsreaktoren effizienter zu planen und Entwicklungszeit sowie Kosten zu sparen. Bei der Kernfusion verschmelzen leichte Atomkerne zu schwereren Elementen. Dabei werden große Energiemengen frei. Gelingt es, diesen Prozess auf der Erde kontrolliert und dauerhaft aufrechtzuerhalten, könnte er eine nahezu emissionsfreie Energieversorgung ermöglichen.

Ein zentrales Ziel der Fusionsforschung ist die sogenannte Zündung. Dabei erzeugen die Fusionsreaktionen im Plasma genügend Wärme, um die für weitere Reaktionen erforderlichen Temperaturen selbst aufrechtzuerhalten. Bisherige Ansätze versuchen häufig, die dafür notwendigen Bedingungen mit hohem Energieaufwand direkt zu erreichen.


Das Team um Luis Delgado-Aparicio schlägt hingegen einen anderen Weg vor. Der Physiker vergleicht das Problem mit einem Gebirge, hinter dem das gewünschte Ziel liegt: Statt den höchsten Gipfel zu erklimmen, könnten Forscher eine Route um die Berge herum wählen. Das Ziel bliebe dasselbe, doch der Energiebedarf wäre geringer.

Die Grundlage dessen ist das Lawson-Kriterium, das bereits in den 1950er-Jahren entwickelt wurde. Es beschreibt, welche Bedingungen ein Fusionsreaktor für eine Zündung erfüllen muss. Die Forscher erweiterten die Berechnungen um vier zusätzliche Einflüsse: Heliumreste aus bereits erfolgten Fusionsreaktionen, Verunreinigungen durch die Reaktorwände, Strahlungsverluste sowie Wärme, die aus dem Plasma entweicht. Erst die gemeinsame Betrachtung dieser Faktoren erlaubt eine realistischere Einschätzung möglicher Reaktordesigns.

Vorsicht vor Wolfram

Die Simulationen lieferten auch Hinweise auf eine geeignete Reihenfolge bei der Vorbereitung des Plasmas. Demnach könnte es günstiger sein, dieses zunächst aufzuheizen und erst anschließend seine Dichte zu erhöhen. Eine weitere Erkenntnis betrifft den Einsatz von Wolfram, das wegen seiner hohen Hitzebeständigkeit für die Innenwände geplanter Fusionsreaktoren vorgesehen ist. Bereits geringe Mengen des Metalls könnten die Fusionsreaktionen erheblich beeinträchtigen. Entsprechend wichtig wäre es, das Plasma vor Verunreinigungen zu schützen.

Die Studie beruht bislang ausschließlich auf theoretischen Berechnungen und wurde nicht experimentell überprüft. Dennoch könnte sie die Entwicklung zukünftiger Anlagen unterstützen. Bis zur kommerziellen Nutzung der Kernfusion bleiben allerdings noch immer zahlreiche Fragen offen. Die Ergebnisse liefern den Forschern zufolge jedoch einen Ansatz, um den Weg zu leistungsfähigen Fusionsreaktoren gezielter zu untersuchen.

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