Mikrofusionstechnik

Einleitung zur Fusion

Kernfusion ist die Verschmelzung zweier Atomkerne zu einem neuen Atomkern. Die Fusion leichter Kerne erlaubt die Gewinnung von Energie: Dieser physikalisch Vorgang ist die Energiequelle unserer Sonne. Die Bedingungen, bei denen Kerne von Wasserstoff-Isotopen miteinander verschmolzen werden können, sind exotisch: Mehrere Millionen Grad Celsius bei einer relativ hohen Dichte der als Plasma vorliegenden Stoffe. Um die Verschmelzung zweier Kerne zu erreichen, müssen diese nahe genug zusammengebracht werden, damit die anziehend wirkenden Kernkräfte - die        so genannte starke Wechselwirkung - stärker werden, als die Abstoßung durch die gleichnamige (positive) elektrische Ladung der Atomkerne. Mit steigender Dichte nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass sich zwei Kerne nahe genug kommen. Bei hohen Temperaturen besitzen die Kerne höhere Bewegungsenergie, damit höhere Geschwindigkeiten, was ebenfalls dazu führt, dass die Abstände zwischen den Kernen klein genug werden können, wenn sie sich aufeinander zu bewegen. Symbolisch sieht dies für den Fusionsprozess, der den einfachsten technischen Zugang verspricht, so aus:

Der Zusammenhalt des Plasmas kann durch den Trägheitseinschluss oder den magnetischen Einschluss erreicht werden. Zum dem Plasmen des Trägheitseinschlusses zählt das Plasma der Sonne und der anderen Sterne oder das Plasma, welches bei der gepulsten Fusion über Laser-, Röntgen- oder Teilchenstrahlen erzeugt wird. Bei der gepulsten Fusion sollen durch gleichzeitig Aufheizung und Kompression des Plasmas die Bedingungen geschaffen werden, bei denen Kernfusionsprozesse stattfinden. Der Magneteinschluss wird in entsprechend geformten Magnetfeldern derzeit untersucht.

Die Temperatur der eigentlichen Energiequelle, des Plasmas, liegt bei mehreren Millionen Grad Celsius, weit jenseits der Temperaturen, die bisher bekannte Werkstoffe aushalten - die Grenze liegt bei etwa 1000-3000 Grad Celsius, je nach der geforderten mechanischen Stabilität. Das kontinuierliches Plasma, welches aus elektrisch geladenen Teilchen besteht, kann durch ein Magnetfeld berührungsfrei eingeschlossen werden. Dadurch wird ein Abstand zwischen dem Plasmabereich und den ihn umschließenden Wänden aufrechterhalten. Die Aufheizung des Plasmas auf die notwendigen hohen Temperaturen wird ebenfalls durch zeitlich veränderliche Magnetfelder gewährleistet. Ein gepulstes Plasma kann man erzeugen, indem man durch allseitigen Beschuss von Deuterium-Tritium-Tröpfchen mit Laser-, Röntgen oder Teilchenstrahlen zum einen das Tröpfchen komprimiert und damit einen genügend langen Einschluss des Plasmas ermöglicht. Zum anderen wird das Deuterium-Tritium-Gemisch durch die Absorption der Strahlungsenergie auf die notwendigen Temperaturen aufgeheizt. Jedes Deuterium-Tritium-Tröpfchen erzeugt eine kleine nukleare Explosion, die dabei freigesetzte Energie ist aufgrund der eingesetzten ,,Brennstoff``-Menge begrenzt. In beiden Fällen kann Tritium aus Lithium erbrütet werden, das Lithium kann gleichzeitig als Wärmetransportmedium vom Fusionsreaktor zum Dampferzeuger genutzt werden, während das gasförmige Tritium als Fusions-,,Brennstoff`` dient:

Lithium-7 + n → Helium-4 + Tritium + n - Energie

Myon-katalysierte Fusion:

Bei dieser Art der Fusion werden Myonen in ein Gemisch aus Deuterium und Tritium eingebracht. Myonen sind dem Elektron verwandte Elementarteilchen, die sich insbesondere durch die gegenüber dem Elektron um etwa 220mal höhere Masse von diesem unterscheiden. Ansonsten können Myonen von einem Atom oder Molekül anstelle eines Elektrons ,,eingebaut`` werden. Die hohe Masse führt allerdings dazu, dass dieses myonische Atom oder Molekül wesentlich kleiner ist als das normale, mit Elektronen ausgestattete Atom bzw. Molekül. Schafft man es, ein Myon in die Verbindung DT, also einer Verbindung zwischen Deuterium und Tritium ,,einzuschmuggeln``, wird der Abstand zwischen den Kernen der Beiden soweit verringert, dass die im folgenden skizzierte Reaktion eintreten kann:

Myon + Deuterium + Tritium →
(Molekül aus Deuterium und Tritium mit einem Myon als Ersatz für eines der beiden Elektronen) →
Helium-4 + Myon + 17.6MeV Energie

Beachtenswert ist, dass das Myon nach der Reaktion wieder für neue Reaktionen zur Verfügung steht, also ganz im Sinne einer Katalyse die Reaktion nur vermittelt. Leider haben Myonen eine begrenzte Lebensdauer, weshalb sie nur eine begrenzte Anzahl von Fusionsprozessen - etwa 100 - auslösen können. Die Rate der Myonen, die auf das Wasserstoff-Target treffen, bestimmt die Rate der Kernfusionsereignisse, die stattfinden können. Damit kann auch die Temperatur des eigentlichen ,,Fusionsreaktors`` eingestellt werden, die bei der Plasmafusion auftretenden Werkstoffprobleme können umgangen werden. Allerdings ist die Erzeugung der Myonen mit relativ hohem Aufwand verbunden: Ein Teilchenbeschleuniger erzeugt Protonen hoher Energie, die dann auf ein Target treffen, in dem die Myonen erzeugt werden. Dieser Beschleuniger könnte natürlich auch mit einem Teil des über die Kernfusion erzeugten Stroms betrieben werden. Allerdings muss der Wirkungsgrad des Beschleunigers ausreichend hoch sein, so dass Netto Strom erzeugt wird.

Bisherige Technische Möglichkeiten zur Fusion

     

z.B. Tokamak, Laserfusion, ITER

Der Kernfusion liegt eine Reaktion zwischen zwei Wasserstoffisotopen , z.B. Deuterium und Tritium, zu Grunde: 2H+ + 3H+ © 4He2+ + n0. Bei dieser Reaktion wird, nach dem Gesetz für den Massendefekt von A. Einstein, Energie frei. Um die Verschmelzung der Wasserstoffkerne zu Heliumkernen zu starten, muss das Wasserstoffgas auf eine Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden (200 Mio. Grad wurden schon erreicht). Zum Vergleich: Die Sonne hat auf ihrer Oberfläche eine Temperatur von 5500 C und in ihrem Innern 15.000.000 C. Es entsteht dabei ein so genanntes Plasma, ein Gemisch aus freien Wasserstoffionen und freien Elektronen. Es wird mit Plasmen gearbeitet, die aus nur 1g Wasserstoffionen besteht. Die Thermische Energie des heißen Wasserstoffplasmas reicht aus, um 100 kg Stahl zu verdampfen. Um mit diesen hohen Temperaturen arbeiten zu können werden die Plasmen und ihre thermische Abstrahlung mit Magnetfeldern, deren Stärke das 100.000 fache des Erdmagnetfeldes übersteigen, im Vakuum eingefangen. Bei den meisten Techniken treten energiereiche Neutronen auf. Da sie sich nicht durch Magneten auf eine definierte Bahn zwingen lassen, treffen sie auf das das Plasma umgebende Material und sind für dessen Verstrahlung verantwortlich. Sie werden aber dazu benutzt, um mit Lithium das meist benötigte Tritium herzustellen. Prinzipiell kann man zwischen vier Techniken der Kernfusion unterscheiden: Die Induzierte Trägheitsfusion, die Fusion mit magnetischem Einschluss, die kalte Kernfusion und die Fusion aus der Teilchenbeschleunigertechnik.

Fusion mit magnetischem Einschluss

Die Fusion mit magnetischem Einschluss findet in geschlossenen Vakuumkammern statt. Das Gas, bestehend aus Wasserstoff, Deuterium oder Tritium oder Kombinationen dieser Stoffe, wird in dieser Kammer auf 50 bis 400 Millionen Grad erhitzt und liegt dann als Plasma vor, d.h. das Gas ist vollständig ionisiert. Durch Magnetfelder wird das Plasma auf eine Bahn gezwungen, die verhindert, dass das Plasma die Wand berührt. Unter hohem Druck und Temperatur kommt es schließlich zum thermonuklearen Brennen. Allgemein ergeben sich beim magnetischen Einschluss folgende Probleme:

Beim Magnetischen Einschluss gilt es noch, drei Reaktortypen zu unterscheiden:

Stellaratoren

Hier ist das Reaktorgefäß ähnlich wie beim Tokamak eine ringförmige Röhre, also ein Torus. Das Plasma fließt hier im Kreis, wobei es durch geeignete Magnetfelder in sich verwunden wird, um Abstrahlungsverluste zu minimieren. Diese zusätzlichen Magnetfelder verkomplizieren die Technik des Reaktors. Auch erreicht man derzeit nicht den gewünschten Einschlussgrad (Produkt aus Druck mal Zeit). Der Stellerator ist aber für die Konstruktion eines energieliefernden Reaktors dadurch sehr interessant, da er sich zum kontinuierlichen Betrieb eignet (vgl. Tokamak).

Tokamak

Tokamak ist eine Abkürzung für die Russische Bezeichnung von Toroidkammer im Magnetfeld. Beim Tokamak handelt es sich um einen Torus, in dem das Plasma im Kreis fließt (vgl. Stellerator). Über äußere Spulen wird ähnlich wie bei einem Transformator ein Strom im Plasma induziert. Durch diesen Strom werden die Abstrahlungsverluste minimiert, so dass kein Magnetfeld für die Verwindung des Plasmas notwendig wird. Zusätzlich stellt der Strom im Plasma eine Heizmethode dar. Mit den Tokamaks ist man den Bedingungen für selbsterhaltendes thermonukleares Brennen bisher am nächsten gekommen, was vielleicht aber auch daran liegt, dass hier die intensivsten Forschungen getätigt werden. Als Hauptnachteil des Tokamak ist zu nennen, dass er sich nicht für einen kontinuierlichen Betrieb eignet, sondern regelmäßig wieder neu mit Plasma aufgeladen werden muss (vgl. Stellerator), was auch eine extreme Belastung der Anlage ausmacht.

Spiegelmaschinen

Das Reaktorgefäß bildet eine gerade Röhre. An den Enden wird das Plasma durch entsprechende Magnetfelder in seiner Flussrichtung reflektiert. Bei der Reflexion an den Ende kommt es zu erhöhten Energieverlusten.

MIGMA-Konzept

Bei dem MIGMA-Verfahren werden aus einem Teilchenbeschleuniger Teilchen (z.B. Deuteronen und Trionen) wiederholt zur Kollision gebracht und verschmelzen. Es ist mit diesem Konzept auch eine Fusion zwischen Protonen und dem Bor-11 Isotops möglich. Es entstehen vier energiereiche Alphateilchen (4He2+). Das besondere an diesem Ansatz ist, dass kein radioaktives und toxisches Tritium benötigt wird und keine Neutronen entstehen, welche für die unerwünschte Radioaktivität verantwortlich sind. Hauptproblem bei dieser Technik sind laut KfK die Energieverluste der Teilchen durch die entstehende Synchrotronstrahlung. Leider wird diese von einigen Physikern für genial gehaltene Technik weltweit ignoriert. Es werden zur Weiterentwicklung trotz ansehnlicher Anfangserfolge in den 70 Jahren nicht genügend Fördermittel zur Verfügung gestellt. Grund hierfür könnte sein, dass bei dieser Reaktion keine energiereichen Neutronen entstehen, die zu dem sehr interessanten Nebenprodukt, dem spaltbaren Material, führen.

Induzierte Trägheitsfusion

Ein Gemisch aus Deuterium und Tritium wird von einer kleinen kugelförmigen Hülle umgeben. Diese 1mm großen Kügelchen (Pellets) werden im Vakuum mit einem Hochenergielaser oder einem Leicht- oder Schwerionenstrahl beschossen. Bei der so herbeigeführten Implosion wird das Wasserstoffgemisch auf ein fünfzigstel seines Volumens komprimiert. Die extreme Erhitzung lässt das fusionierende Plasma entstehen. Durch Simulationen ließ sich ermitteln, dass der thermonukleare Energieausstoß typischerweise das Hundertfache der Laserenergie beträgt. Hauptproblem ist die Konstruktion der benötigten kurzwelligen Hochenergielaser bzw. Beschleuniger. Des weiteren entstehen auch hier hochenergetische Neutronen. Die Konstruktion eines energiegewinnenden Reaktors, der z.B. zehn Pellets pro Sekunde zünden würde, wäre denkbar.

Kalte Kernfusion

Die Reaktion wurde aus theoretischen Überlegungen schon in den vierziger Jahren von F. Frank und Andrej D. Sacharow vorhergesagt und 10 Jahre später durch einen Zufall von Luis W. Alvarez experimentell nachgewiesen. Bei der kalten Kernfusion oder auch Myon -katalysierten kalten Kernfusion kann man die hohen Temperaturen und riesigen Versuchsaufbauten umgehen. Die kalte Kernfusion läuft bei Temperaturen ab 13 bis über 1000 Kelvin in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien ab. Die Reaktion kann in einer einfachen mit Tritium und Deuterium gefüllten Kammer durchgeführt werden. Hierzu lässt man negative Myonen in die Kammer eindringen. Die Myonen stellen durch besondere Stoßprozesse enge Bindungen zwischen den Wasserstoffmolekülen her. Die so myonische gebundenen Kerne verschmelzen und es wird Energie in Form von Wärme frei. Die Myonen werden dabei wieder freigesetzt und können unter bestimmten Bedingungen weitere Fusionen katalysieren. Myonen kann man künstlich mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugen. Damit ein Myon mehrere Kernfusionen katalysieren kann, sind hohe Energien für dessen Erzeugung notwendig. Leider wird mehr Energie benötigt, um die Reaktion ablaufen zu lassen, als später frei gesetzt wird. Die kalte-Fusion ist zur Zeit nur für die Grundlagenforschung interessant. Es gibt bis heute keine reproduzierbare Versuchsanordnung mit positiver Energiebilanz.

Zukunftsweisende Projekte zur Mikrofusion

Die "Heiße Fusion" ist ein sehr teures, hoch-technologisches Unterfangen, das noch weit von einer Anwendung entfernt ist. Daher suchen allerlei Wissenschaftler nach neuen, einfachen Methoden. Sie haben bereits spektakuläre Ergebnisse in Pressekonferenzen verlautbart, aber auch sie sind von einer anwendbaren Methode noch weit entfernt. Bei manchen Arten wird vorgeschlagen, dass eine Art "Katalysator" dafür sorge, dass die Kernfusion unter beherrschbaren Bedingungen ablaufe. Katalysatoren sind aus der Chemie und Biochemie bekannt, sie sind in der Chemischen Industrie und in Lebewesen allgegenwärtig. Hier lassen sie chemische Reaktionen gezielt ablaufen. Es sollte nun also auch Katalysatoren geben, die auf Kern-Reaktionen einwirkten. Demgemäß sprechen auch manche Wissenschaftler von "Chemically Assisted Nuklear Reactions" ("Unter chemischer Mithilfe ablaufende Kernreaktionen"), kurz "CANR" genannt. Folgende Methoden werden in Fusion 1/99 aufgezählt, bei denen derartige Kernreaktionen - insbesondere die Kalte Fusion - beobachtet werden können soll:

Die Pons- und Fleischmann-Methode (Elektrolyse in Flüssigkeiten)

Die beiden Elektrochemiker der Universität Utah Stanley Pons und Martin Fleischmann stellten am 23. März 1989 auf einer Pressekonferenz eine Methode vor, mit der die Kernfusion recht einfach durchzuführen sei. Sie hatten ein Gefäß (eine Elektrolysezelle) mit Schwerem Wasser befüllt (Schweres Wasser unterscheidet sich von "normalem" Wasser dadurch, dass die Wasserstoffatome durch das Isotop "Deuterium" ersetzt sind). In diesem Schweren Wasser lösten sie Lithiumhydroxid, das ebenfalls Deuterium an der Stelle des gewöhnlichen Wasserstoffs enthielt. In diese Lösung tauchten sie nun Elektroden aus dem Metall Palladium und legten Strom an. Dadurch wird das Lithiumhydroxid zersetzt, an einer Elektrode (der Kathode) wird Wasserstoff - genauer gesagt Deuterium - frei gesetzt. So weit entspricht das auch der damals anerkannten Wissenschaft. Pons und Fleischmann verkündeten, dass an der Kathode frei werdende Deuteronen miteinander zu Helium verschmölzen. Sie lieferten dafür folgende Hinweise:

Die Versuche konnten aber in der ursprünglichen Anordnung nicht bestätigt werden. Fleischmann änderte eine Darstellung, in der bei 2,5 MeV ein Peak der Gammastrahlung eingezeichnet war, nach einem Hinweis auf einem Vortrag, wonach der Peak bei 2,2 MeV sein sollte, einfach nach seinen geänderten Vorstellungen ab. Ein neuer Vorschlag kam von Scaramuzzi aus Frascati: Er hatte das Deuterium gleich im Palladium untergebracht. Manche Metalle können sehr große Mengen Wasserstoff (oder auch Deuterium) aufnahmen, bei Palladium kommen auf 10 Palladium-Atome etwa 9 Deuterium-Atome. In diesem Metall-Hydrid sind die Elektronen nicht mehr an individuelle Atome gebunden, sondern schwirren in einer Art Elektronenwolke herum. Diese Anordnung sollte dazu führen, dass sich die Atomkerne des Deuterium leichter so nahe kommen können, dass eine Kernfusion stattfinde. Einer Elektrolyse wie bei Pons und Fleischmann bedürfe es gar nicht. Scaramuzzi widerrief jedoch alsbald seine Entdeckungen. Er selbst sprach von fehlerhaften Experimenten und hunderttausendfach überhöht angegebenen Neutronenraten. Nichtsdestotrotz ging die Forschung auf diesem Gebiet weiter. Staatliche Förderung wurde zwar in den USA weniger, andere Länder - insbesondere Japan - gaben aber viel für die Kalte Fusion aus. Gelder kamen auch aus der Industrie, insbesondere Toyota investierte in ein Forschungszentrum in Japan und baute Fleischmann und Pons ein Forschungszentrum in Nizza. Auf die Tatsache angesprochen, dass man ihre Ergebnisse so schlecht nachvollziehen könne, weisen Forscher der Kalten Fusion auf technische Probleme hin. Insbesondere scheine es auf das "richtige" Palladium anzukommen, das einer geringfügigen Verunreinigung bedürfe. Die letzte staatlich finanzierte Konferenz fand 1996 in Japan statt. Bald darauf zog sich auch der japanische Staat aus diesem Gebiet zurück, und Toyota schloss seine Institute.

Sonoluminiszenz-Fusion (Kavitation, ultrasonisch)

In Flüssigkeiten können kleine Hohlräume erzeugt werden ("Kavitation"), welche dann sehr schnell in sich zusammenbrechen. Bei dieser Implosion können kurzzeitig hohe Drücke und Temperaturen entstehen, mehrere Tausend Grad werden angenommen, von manchen Forschern gar Millionen Grad. Die Implosion kann auch einen Lichtblitz auslösen, wie schon in den 30er Jahren des 20sten Jahrhunderts beschrieben wurde. Die extremen Bedingungen im Inneren des einstürzenden Hohlraumes bewegte manche Wissenschaftler dazu, zu spekulieren, ob darin auch eine Kernfusion möglich sei. Taleyarkhan vom Oak Ridge National Laboratory erzeugte mittels Neutronen kleine Hohlräume in Aceton, dessen Wasserstoffatome durch das schwere Isotop Deuterium ersetzt waren. Diese Hohlräume blies er mit Ultraschall zu großen Dimensionen auf, und erreichte damit große Implosionsenergien. Er behauptete, er habe dabei Neutronen und Gammastrahlen, die bei einer Kernfusion entstehen würden, nachgewiesen. Sein Werk konnte er in Science (Heft 295) veröffentlichen. Rund einen Monat später äußerten verschiedene Wissenschaftler konkrete Zweifel an den Experimenten von Taleyarkhan: Das Fusionsprodukt Tritium könne auf eine Kontamination hinweisen, der zeitliche Abstand zwischen Lichtblitzen und Neutronenemission sei nicht konstant, die zeitliche Auflösung der Messung sei unzureichend. Im August wurde schließlich die Widerlegung der Behauptungen Taleyrakhans publiziert.  

Wenn heiße Blasen platzen

Seit mehr als einem halben Jahrhundert versuchen Forscher, das Feuer der Sonne im Labor zu zähmen und so eine schier unerschöpfliche Energiequelle zu erschließen. Das Zauberwort heißt Kernfusion. Um sie beherrschen zu lernen, wurden weltweit viele Milliarden Dollar investiert. Doch die Sonnenreaktion erwies sich stets als viel zu heiß. Kein Wunder, sie erfordert ein Millionen Grad heißes Plasma. Das zerschneidet selbst Gefäße aus allerbestem Material wie ein glühendes Messer die Butter - und verleiht ganz nebenbei der Wasserstoffbombe ihre Sprengkraft. Und jetzt kommen sechs US-Forscher daher und behaupten, sie hätten die Sonnenkraft auf dem Schreibtisch entfesselt. Die Nachricht klingt nicht neu. Schon zu Ostern 1989 hatten zwei andere Wissenschaftler, die Professoren Stanley Pons und Martin Fleischmann, verkündet, ihnen sei die "kalte Fusion" im Labor geglückt. Damals entfachte das gut beleumundete Duo weltweit einen Mediensturm und hektische Nachprüfungen in den Labors. Mit wehenden Fahnen gingen die beiden unter. Trotz dieses Debakels offerierte das angesehene Wissenschaftsblatt Science am 1. März mit einwöchiger Sperrfrist die Geschichte von Rusi Taleyarkhan, Richard Lahey und vier weiteren Autoren. Ihnen sei es gelungen, in einem einfachen, durchsichtigen Behälter die Flüssigkeit Aceton dermaßen mit Ultraschall zu traktieren, dass sich darin millimetergroße Gas- und Dampfbläschen bildeten, die dann jeweils in heftigen Implosionen in sich zusammenstürzten. Akustische Kavitationen heißen solche Experimente. Dabei sollen angeblich lokale Spitzentemperaturen von zehn Millionen Grad entstehen und so Kernfusionen theoretisch möglich machen. Deren Ablauf behaupten die Autoren anhand zweier Endprodukte der Fusion nachgewiesen zu haben: radioaktives Tritium und Neutronen. Ein beigefügter Kommentar bescheinigt den sechs Forschern sorgfältige Arbeit, die von unabhängigen Gutachtern streng geprüft worden sei. Er mahnt allerdings auch zur Skepsis, solange eine unabhängige Bestätigung fehle. Am 4. März schob Science weitere Dokumente nach. Kollegen von Taleyarkhan hatten in der gleichen Apparatur im Oak Ridge National Laboratory die Fusionsmessungen nachzuvollziehen versucht und dabei ein empfindlicheres Nachweisgerät für Neutronen verwandt. Ergebnis: keine Fusion! Die kritisierten Autoren erwiderten in scharfem Ton, ihre Überprüfung der Prüfer zeige wiederum, dass deren Messgerät für die Blasenfusion ungeeignet sei. Eine korrekte Analyse führe mitnichten zur Widerlegung, sondern zur Bestätigung der spektakulären Daten. Zwei Stunden später hob Science die Sperrfrist für das Streitthema auf - um einer "möglichst genauen Berichterstattung" den Weg zu ebnen. Eine echte Rarität. Heiße Blasen, die heftig implodieren: im physikalischen Experiment - und dann noch beim Publizieren der Ergebnisse.

 

Kontakt zur Gesellschaft für Raumzeitforschung e.V. GRZ: kontakt@g-r-z.org