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19.12.2019 | Naturwissenschaftliche Grundlagen | Im Fokus | Onlineartikel

Mit starken Lasern zur Kernfusion

Autor:
Dieter Beste
2 Min. Lesedauer

Um eine Kernfusion auszulösen, müssen die starken elektrischen Abstoßungskräfte der zu verschmelzenden, gleichartig geladenen Atomkerne überwunden werden. Dazu sind hohe Energien notwendig. Doch es scheint noch einen anderen Weg zu geben.

Bei der Kernfusion verschmelzen zwei Atomkerne zu einem neuen Kern. Im Labor gelingt das zum Beispiel mit Teilchenbeschleunigern, wenn Forscher Fusionsreaktionen zur Bildung schneller freier Neutronen für weiterführende Experimente nutzen. In weit größerem Maßstab soll die kontrollierte Fusion leichter Kerne Anwendung in der Energieerzeugung finden. Vorbild ist die Sonne: Deren Energie speist sich aus einer Reihe von im Innern ablaufenden Fusionsreaktionen.

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Der Weg zur technischen Nutzung ist steinig, denn Kernphysik ist üblicherweise die Domäne hoher Energien, und das wird in den Versuchen zur Beherrschung der kontrollierten Kernfusion sichtbar. Eine Übersicht über deren Grundlagen und den Stand der technischen Entwicklung geben die Springer-Autoren Ulrich Blum, Eberhard Rosenthal und Bernd Diekmann in "Energie – Grundlagen für Ingenieure und Naturwissenschaftler" ab Seite 73.

Fusionen könnten jedoch schon bei niedrigeren Energien in Gang kommen. Diesen Entwicklungsweg zeigen Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review auf. Um nämlich die starken elektrischen Abstoßungskräfte der miteinander zu verschmelzenden, gleichartig geladenen Atomkerne zu überwinden und eine Kernfusion auszulösen, haben sie einen Umweg ersonnen: "Reicht die verfügbare Energie nicht aus, kann die Fusion auch durch Tunneln ermöglicht werden, einen quantenmechanischen Prozess. Dabei wird die von der Kernabstoßung verursachte Energiebarriere bei niedrigeren Energien durchtunnelt", erläutert Friedemann Queißer, Co-Autor der Studie.

Die Idee: Das die Abstoßung der Kerne verursachende, starke elektrische Feld wird mit einem schwächeren, sich aber schnell ändernden elektromagnetischen Feld überlagert, wie es mit Hilfe eines Freie-Elektronen-Lasers mit Röntgenlicht (XFEL) erzeugt werden kann. Die Dresdner Wissenschaftler haben das anhand der Fusion der Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium theoretisch untersucht. Diese Reaktion gelte heute als eine der aussichtsreichsten, wenn es um erfolgversprechende Konzepte für künftige Fusionskraftwerke ginge. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass sich auf diesem Wege die Tunnelrate erhöhen lässt, sind sich die Dresdner Forscher sicher; eine ausreichende Zahl ausgelöster Tunnelprozesse könnte schließlich eine erfolgreiche und kontrollierte Fusionsreaktion ermöglichen.

Einige wenige Lasersysteme mit entsprechendem Potenzial gehören heute zu den Flaggschiffen von Großforschungsanlagen weltweit. Deutschland verfügt mit dem Röntgenlaser European XFEL – Hauptgesellschafter der Anlage ist Desy – über den weltstärksten Laser seiner Art. An der dortigen Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) sind Experimente mit einzigartigen ultrakurzen und extrem lichtstarken Röntgenblitzen geplant. HIBEF wird derzeit vom HZDR aufgebaut.

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