Techniklexikon

Kernfusionsreaktor

KernphysikLaserphysik und -technik, Fusionsreaktor, Anlage zur Gewinnung von Energie durch die Verschmelzung (Kernfusion) leichter Atomkerne (Kern) bei hoher Temperatur in einem Fusionsplasma (Plasma). Unter den möglichen Fusionsprozessen hat die Reaktion.

D + T  ⁴He + n + 17,8 MeV die niedrigste Zündtemperatur von etwa 100 Millionen Grad. Die Brennbedingungungen werden durch das Lawson-Kriterium Ttp = 1 definiert (T: Zündtemperatur, t: Einschlusszeit, p: Druck). Die freiwerdende Energie verteilt sich auf das a-Teilchen und das Neutron und wird wieder im Reaktorkern absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die beim Fusionsprozess produzierte Fusionsenergie ist 50mal grösser als die bei der Kernspaltung und 10⁹mal grösser als der spezifische Energiegewinn bei Verbrennung von Kohle.

Wegen der hohen Temperaturen ist der direkte Einschluss des Fusionsplasmas in einem materiellen Gefäss nicht möglich. Zur technischen Realisierung des Einschlusses geht die Fusionsforschung zwei Wege: 1) Berührungsloser Einschluss und Erhitzung eines Fusionsplasmas in einem Magnetfeld; 2) Verdichtung und Erhitzung eines kleinen, mit einem d-t-Gemisch gefüllten, Volumens durch Implosion von Hohlkügelchen (Pellet) unter dem Einfluss äusserer Bestrahlung, auch als Inertial- oder Trägheitsfusion bekannt.

Der berührungslose Einschluss erfolgt durch im wesentlichen ringförmige Magnetfelder unter Ausnutzung der Ladungen der Plasmakomponenten. Die technischen Lösungen unterscheiden Tokamak- und Stellarator-Anlagen. Der berührungslose Einschluss verhindert eine Energieabgabe durch Wandstössen der Gasionen. Die Aufheizung des Plasmas auf die Zündtemperatur wird durch Induktionsströme (die Plasmazone im Inneren des Torus bildet die Sekundärwicklung eines Transformators, so dass hohe Plasmaströme induziert werden können), durch Hochfrequenzeinspeisung oder durch den Einschuss neutraler Teilchenstrahlen erreicht.

Ein Kernfusionsreaktor mit Trägheitseinschluss besteht aus drei separaten Komponenten: der Reaktorkammer, dem Treiber, z.B. ein Schwerionenbeschleuniger (HIBALL-Fusionsbeschleuniger), der die Energie der Zündung der Pellets liefert, und der Pelletfabrikationsanlage. Das Pellet wird in die Reaktorkammer injiziert und, wenn es den Mittelpunkt der Kammer erreicht hat, gezündet. Die für die Zündung notwendige Temperatur kann auch durch Beschuss mit hochenergetischen Laserpulsen (Laser) erreicht werden. Die notwendigen Pulsenergien liegen um 10⁶ J, die innerhalb von 10^-10 s in das etwa 1 mm grosse Pellet eingkoppelt werden müssen. Die in weniger als einer Nanosekunde freigesetzte Pulsenergie ist etwa so gross wie die Energie, die bei der Explosion von 25 g TNT frei wird; die Spitzenleistung eines Lasers im Petawatt-Bereich (10¹⁵ W) entspricht dabei der Leistung von einer Million (Gigawatt-)Kraftwerken. Ein Laserfusionsreaktor besteht im allgemeinen aus mehreren Hochleistungslasersystemen, die von einem einzigen Laseroszillator synchronisiert werden. Die einzelnen Laserstrahlen werden mit Spiegeln aus verschiedenen Richtungen möglichst symmetrisch auf das Fusionstarget fokussiert (siehe Abb.).

Die Schwierigkeit, einen technisch nutzbaren Laserfusionsreaktor zu verwirklichen, besteht nicht allein darin, die Pulsenergien aufzubringen und auf das Kügelchen zu fokussieren, um die Kernfusion zu starten, sondern vor allem darin, die gestartete Kernfusion aufrechtzuerhalten: Die nach Einsetzen der Reaktion freiwerdende Energie führt dazu, dass das Fusionstarget förmlich explodiert, wodurch die Dichte für eine Fusionsreaktion zu gering wird und der Prozess abbricht. So konnten mit Laser-Kernfusionsreaktoren zwar bereits Kernfusionreaktionen gezündet und beobachtet werden, aber bisher musste immer mehr Energie aufgewandt werden als nutzbare Energie frei wurde, und es ist noch nicht gelungen, diese Reaktionen kontinuierlich aufrecht zu erhalten.

Kernfusionsreaktor: Schematische Skizze eines Kernfusionsreaktors.