Trägheitsfusion als Option für ein Fusionskraftwerk

Beitrag von Prof. Dr. Markus Roth, TU Darmstadt/Focused Energy

Bei der Laserfusion werden wenige mg des Brennstoffs (Deuterium und Tritium) in gefrorenem Zustand in eine wenige mm große Kapsel eingeschlossen. Die Kapsel wird ins Zentrum einer Reaktionskammer gebracht und dort von allen Seiten mit Energie bestrahlt. In bisherigen Experimenten wurde hierzu Laserenergie in einem Hohlzylinder aus Gold erst in weiche Röntgenstrahlung umgewandelt und damit die Kapsel bestrahlt. Daher wird dieses Verfahren als indirektes Verfahren bezeichnet. Der Vorteil bei dem Verfahren ist das sehr symmetrische Strahlungsfeld und die kurze Wellenlänge der Strahlung. Der Hauptnachteil ist die Energie, die bei der Umwandlung verloren geht. Daher bietet sich für ein Fusionskraftwerk die direkte Bestrahlung der Kapsel an, welches als direktes Verfahren bezeichnet wird. Durch die Bestrahlung mit Energie heizt sich die Oberfläche der Kapsel innerhalb von wenigen milliardstel Sekunden auf und dampft von der Oberfläche ab. Der dabei entstehende Rückstoß, ähnlich eines Raketentriebwerks, beschleunigt nun den Brennstoff in Richtung Zentrum. Dort entstehen durch den Zusammenprall des Brennstoffs Dichten und Temperaturen wie im Zentrum eines Sterns. Daher beginnt in einem kleinen Bereich des Zentrums die Fusionsreaktion und produziert Energie. Diese breitet sich von innen durch den Brennstoff schneller aus, als dieser durch seine Massenträgheit entkommen kann. Dadurch wird bei optimalen Bedingungen bis zu 30% des Brennstoffs durch Fusionsreaktionen umgewandelt und es entsteht ca. 100- mal mehr Energie, als die Lasersysteme geliefert haben. Wird dieses Verfahren ca. 10-mal pro Sekunde erfolgreich durchgeführt entsteht eine Fusionsleistung von ca. 2 GW thermisch, aus dem ca. 1GW elektrische Leistung gewonnen werden kann, bei einem Einsatz von ca. 1 kg Brennstoff pro Tag.

Die Laserfusion hat als einzige Form der Fusion bislang eine positive Energiebilanz vorweisen können, nachdem es 2022 bis 2024 mehrmals gelungen ist eine Kapsel erfolgreich zu zünden und über 2-mal mehr Energie zu erzeugen, als durch die Laser geliefert wurden. Das dabei verwendete Lasersystem, sowie das verwendete Verfahren der indirekten Bestrahlung eignen sich noch nicht für den Einsatz als Kraftwerk, aber die zugrunde liegende Physik wurde damit erstmals erfolgreich demonstriert.

Was sind also die Optionen für die Laserfusion als Verfahren zur Energieproduktion und wo steht Deutschland hier im Vergleich?

Die Laserfusion hat gegenüber der Magnetfusion einige Jahre Vorsprung und einige Milliarden Euro an Forschungsgeldern aufzuholen. Allerdings profitiert die Laserfusion gerade in Deutschland durch den rasanten Fortschritt im Bereich der Laser und der Targettechnologie, die durch andere vielfache Anwendungen, wie z.B. die Erzeugung von Nanostrukturen für die Chipfertigung durch Laser mit extrem ultraviolettem Licht (EUV), vorangetrieben wurde. Außerdem hat die Laserfusion einige physikalische Vorteile gegenüber der Magnetfusion, die einen raschen Fortschritt erlauben. Diese sind insbesondere:

• der modulare Aufbau, wodurch Lasersysteme, Targetsysteme und Reaktorkomponenten parallel entwickelt werden können;
• die Trennung von Reaktor und Lasersystem. Die Lasersysteme stehen separat von dem Reaktor in einem Gebäude und könne so, unbeeinflusst von Strahlung gewartet oder getauscht werden;
• Viele der technologischen Herausforderungen, die bei der Magnetfusion über Jahrzehnte bearbeitet wurden, stellen sich für die Laserfusion erst garnicht. So ist z.B. die Abschirmung der ultrakalten Spulen von dem heißen Plasma und den Neutronen kein Problem, da es keine Spulen gibt. Daher ist eine Reaktorkammer bei der Laserfusion nicht nur viel einfacher im Aufbau, es können auch Materialien verwendet werden, die besser kompatibel sind mit den Bedingungen in einem Reaktor;
• der Abbrand des Tritiums im Reaktor ist in einem Laserfusionskraftwerk deutlich höher und mindert damit das im Kraftwerk umlaufende radiologische Inventar.