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Trägheitsfusion Trägheitseinschluss


Beim Trägheitseinschluss (engl. Inertial confinement fusion, ICF) wird eine kleine Kapsel eines Deuterium/Tritium Gemisches durch Laser- oder Teilchenstrahlen zur Zündung gebracht. Das heiße Plasma wird einzig durch seine eigene Trägheit zusammengehalten. Bei sehr hoher Dichte ist es möglich, dass in der Zeit, die die Masse zum explosionsartigen Expandieren braucht, bereits so viele Fusionsreaktionen stattfinden, dass die dabei freiwerdende Energie ein Vielfaches der zur Zündung aufgewandten Energie beträgt.

Abb. 1 Kapseln für direct (a) und indirect drive (b).

Abb. 1 zeigt den Aufbau einer Brennstoffkapsel für Trägheitsfusion. Sie besteht aus einer Glaskugel, die mit dem DT-Gemisch gefüllt ist. Solche Kapseln lassen sich z.B. dadurch herstellen, dass Hohlkügelchen bei erhöhter Temperatur einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt werden. Die Gesamtmasse an Wasserstoff pro Kapsel beträgt nur einige Milligramm. Bei sphärisch symmetrischer Bestrahlung mit Laserlicht großer Intensität wird die äußere Hülle der Kapsel schlagartig verdampft (ablatiert). Der Rückstoß regt eine Schockwelle an, die in das Kapselinnere läuft und dabei den Brennstoff komprimiert und erhitzt. Im Zentrum sind Kompression und Temperatur am höchsten und es erfolgt Zündung. Der Brennstoff wird dann vom Zentrum ausgehend abgebrannt. Die entstehenden α-Teilchen kompensieren dabei gerade die Strahlungsverluste. Die insgesamt freigesetzte Energie (wieder zu 80% durch Neutronen) wird in dem Reaktorgefäß aufgefangen und kann in einem thermischen Kreislauf genutzt werden. Für Zündung ist es notwendig, dass die Temperatur im Zentrum 10 keV übersteigt. Dazu muss die Wasserstoffdichte auf 300 g/cm3, der zwanzigfachen Dichte von Blei, komprimiert werden.

Die gewünschte sphärische Kompression der Kapsel erfordert, dass ihre Oberfläche sehr gleichmäßig mit Laserlicht bestrahlt wird. Dieses Verfahren heißt direct drive und hat sich für Experimente zum Studium der Kompression bewährt. In einem Reaktor wird wahrscheinlich der weiter unten erwähnte indirect drive angewendet werden. Die Beschleunigung des dichteren Kugelmaterials durch das dünnere Plasma ist hydrodynamisch instablil und neigt zur Ausbildung der Rayleigh-Taylor Instabilität. Zwar hat die Wärmeleitung auf der Kugeloberfläche eine stabilisierende Wirkung, dennoch darf die Inhomogenität der Strahlungsdichte auf der Kugeloberfläche nicht größer als 1 % sein, da sonst die Kompression zu ungleichmäßig erfolgt und es zu einer Vermischung von wärmeren und kälterem Brennstoff kommt. Diese Bedingung kann durch Überlappung vieler, symmetrisch im Raum angeordneter Laserstrahlen erreicht werden. Abb. 2 zeigt das Innere des Reaktionsgefäßes von Nova (Lawrence Livermore National Laboratory, 120 TW Neodym Laser) während einer Reinigungsphase. Dort werden 10 Laserstrahlen auf eine Brennstoffkapsel fokussiert.

Abb. 2 Reinigung des Reaktionsgefäßes von Nova.

Beim indirect drive wird eine symmetrische Bestrahlung der Brennstoffkapsel dadurch erreicht, dass die Kapsel in das Zentrum eines kleinen Metallzylinders eingebaut wird. Wird dieser, wie in Abb. 3 gezeigt, mit Laserlicht oder Ionen bestrahlt, senden die verdampfenden Wände Röntgenstrahlung aus, die sich im Innern isotrop verteilt. In diesem Metallzylinder ist die spektrale Verteilung der elektromagnetischen Strahlung gegeben durch die Temperatur der Wände. Man spricht daher auch von Schwarzkörper- oder Hohlraumstrahlung und nennt den Metallzylinder entsprechend einen Hohlraum. Werden mindestens 70% der auftreffenden Energie in Strahlung umgewandelt, können in diesem Hohlraumstrahler ausreichend hohe Leistungsdichten erzielt werden, um die Kapsel zur Zündung zu komprimieren. Hohe Strahlungsemission erreicht man mit Hohlraumwänden aus Materialien hoher Kernladungszahl, z.B. Gold, während man für die äußere Schicht der Kapsel Materialien mit niedriger Kernladungszahl für gute Strahlungsabsorption verwendet.

Die Notwendigkeit, die Kapsel gleichmäßig sphärisch zu komprimieren, lässt sich mit dem Konzept des "schnellen Zünders" (fast ignitors) umgehen. Dabei wird das dichte Zentralplasma der schon komprimierten Kapsel mit einem zusätzlichen, sehr leistungsstarken Laser lokal gezündet.

Abb. 3 Kapselzündung mit Ignitor Laserstrahl.

Die Zeit zum Zünden, weniger als 20 ps, ist viel kürzer als die Stagnationszeit der komprimierten Kapsel von etwa 100 ps, daher der Name. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass Kompression und Zündung der Kugel voneinander getrennt sind und es damit nicht mehr auf die Vermeidung der Rayleigh-Taylor Instabilität angewiesen ist. Da die Plasmadichte selbst im Randbereich der Kapsel bereits sehr hoch ist, kann der zusätzliche Laserstrahl nicht bis zum heißen Zentrum propagieren. Dieses Phänomen hat die gleiche Ursache wie die Reflexion von Kurzwellen an der Ionosphäre, nur ist die Plasmadichte in diesem Fall bei Reflexion niedriger, da auch die Frequenz der Kurzwellen viel niedriger ist als die des Laserlichtes. Bei sehr intensiven Laserpulsen aber werden die Plasmaelektronen relativistisch in Richtung des Strahls beschleunigt. Das durch diesen Strom erzeugte Magnetfeld komprimiert den Stromfaden und erzeugt einen Kanal niedrigerer Plasmadichte, in dem der Laserstrahl weiter propagieren kann. Die hochenergetischen Elektronen geben ihre Energie an das schon komprimierte Plasma des Zentralbereichs ab und ermöglichen dort lokale Zündung. Von dort ausgehend brennt das komprimierte Plasma ab.

In einem auf Trägheitseinschluss basierenden Reaktor müssen in schneller Abfolge Brennstoffkapseln gezündet werden. Für einen Reaktor müssen die Zünder (driver) dazu im Takt von einigen Herz etwa 2-10 MJ an Energie innerhalb von etwa jeweils 10-8s abgeben. Mit Hochleistungslasern werden bereits einige 100 kJ mit Pulsabständen von etwa 2 Stunden erzielt. Bei Nova werden 125 kJ an die Kapsel abgeben. Dort liegt allerdings die Effizienz der Umwandlung von elektrischer Leistung in Laserstrahlung wegen notwendiger zweifacher Frequenzverdopplung der Strahlung bei nur 1 %. Gegenwärtig wird die Anlage NIF (National Ignition Facility, USA) gebaut, bei der 192 Laserstrahlen auf die Kapsel fokussiert werden und dabei eine Gesamtenergie von 1,8 MJ abgeben sollen. Nach gegenwärtigem Verständnis sollte damit Zündung erreicht werden. Laser sind für Einzelexperimente geeignet, doch sind ihre Effizienz bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie und ihre Repetitionsrate gering. Bessere Effizienzen von etwa 25% und gute Repetitionsraten erzielt man mit Leicht- oder Schwer-Ionenbeschleunigern. Die Fokussierung der Strahlen auf die Kapsel ist allerdings schwieriger, da die Ionen aufeinander abstoßende elektrische Kräfte ausüben. Eine sphärisch gleichmäßige Energiedeposition auf der Kapseloberfläche soll durch Verwendung von Hohlraumstrahlern gewährleistet werden.

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