Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Polarisiertes Deuterium bringt Kernfusion auf Trab

11.08.2016

Physik: Gemeinsames deutsch-russisches Projekt

Polarisiertes Deuterium kann die Reaktionsrate in zukünftigen Fusionsreaktoren deutlich verbessern. Physiker rund um Prof. Dr. Markus Büscher vom Institut für Laser- und Plasmaphysik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) werden mit Kollegen vom Forschungszentrum Jülich und dem Budker-Institut in Russland eine neue Quelle für polarisierte Deuterium-Moleküle entwickeln. Das Projekt wird gemeinsam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Russian Science Foundation (RSF) in den nächsten drei Jahren mit insgesamt mehr als 500.000 Euro gefördert.


Lamb-Shift-Polarimeter, gebaut am Forschungszentrum Jülich (Fotos: Ralf Engels)


Einsatz am Jülicher COSY-Beschleuniger: Atomstrahlquelle (senkrecht) mit dem dazugehörigem Lamb-Shift-Polarimeter.

In Fusionsexperimenten sollen die Atomkerne der Wasserstoffvarianten (Isotope) Deuterium und Tritium zu Heliumkernen verschmolzen werden, um dabei große Mengen Energie zu gewinnen. Diese Fusion findet nur unter extremen Bedingungen statt, die nur unter größtem Aufwand erzeugt werden können.

Physiker aus Düsseldorf, Jülich und vom russischen Budker-Institut – einem international bekannten Beschleunigerzentrum in Novosibirsk – wollen gemeinsam eine Anlage entwickeln, mit der die Wahrscheinlichkeit und damit die Reaktionsrate für diese Fusionsprozesse deutlich erhöht werden kann: Sie wollen in den nächsten Jahren eine Strahlquelle für kernspinpolarisierte Deuterium-Moleküle aufbauen.

Kernspinpolarisiertes Deuterium

Jeder Atomkern hat einen sogenannten Spin, der bei jedem Isotop zwar die gleiche Größe hat, aber – vereinfacht gesprochen – in unterschiedliche Richtungen weist. Bei „spinpolarisierten“ Kernen weisen diese Spins alle in dieselbe Richtung. Solchermaßen ausgewählte Kerne sind für Fusionsexperimente besonders interessant, da mit ihnen die Verschmelzungsrate deutlich – um rund 50 Prozent – erhöht werden kann. Damit steigt die Energieausbeute erheblich. Darüber hinaus haben Fusionsreaktionen spinpolarisierter Kerne eine besondere räumliche Charakteristik, die für den Bau von Reaktoren genutzt werden kann.

Neue Deuteriumstrahlquelle

Die Physiker wollen konkret polarisierte Deuterium-Moleküle gewinnen, die als verbesserter Treibstoff in der Kernfusion genutzt werden können. Dabei gehen sie einen neuen Weg: Statt polarisierte Deuteriummoleküle aus zwei polarisierten Deuteriumatomen herzustellen, die ihrerseits aus einer polari-sierten Atomquelle kommen müssen, starten sie direkt mit unpolarisiertem Deuteriumgas. Durchläuft ein Strahl unpolarisierter Deuteriummoleküle ein Magnetfeld, wird er entsprechend der Spineinstellung räumlich aufgespalten, so dass Moleküle mit dem gewünschten Spin direkt abgegriffen werden können. Im geplanten Experiment wählt man eine Magnetfeldanordnung, bei der Moleküle der gewünschten Polarisationsrichtung gebündelt werden, während andere Polarisationsrichtungen gestreut werden. Dieser Ansatz vereinfacht den Aufbau, erhöht die Effizienz der Trennung und damit den erzielbaren Teilchenfluss.

Die Expertise beim Aufbau der Trennapparatur, die mit supraleitenden Magneten arbeitet, liegt bei den russischen Projektpartnern am Budker-Institut. In Jülich wird ein spezielles „Lamb-Shift-Polarimeter“ aufgebaut, mit dem sich die Kernpolarisation sehr genau messen lässt, um die Quelle im Hinblick auf hohe Polarisationsausbeute zu optimieren. Weltweit wird es das fünfte Gerät seiner Art sein, wobei das Forschungszentrum Jülich allein vier der Geräte gebaut hat und somit weltweit führend in dieser Technologie ist. An der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf wird die Quelle schließlich in Laserexperimenten eingesetzt.

Zunächst soll gezeigt werden, dass der gewählte Ansatz funktioniert und dass der Aufbau in der Lage ist, polarisierte Wasserstoff- und später Deuterium-Molekülstrahlen mit einem hohen Fluss zu erzeugen. „Im Endeffekt wol-len wir die Quelle für Laser-Fusionsexperimente einsetzen“, so Prof. Dr. Markus Büscher vom Institut für Laser- und Plasmaphysik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. „Diese Messungen wollen wir am Düsseldorfer Hochleistungslaser ARCTURUS oder auch am PHELIX-Laser an der GSI in Darmstadt machen“, so Büscher weiter.

Gemeinsame deutsch-russische Forschungsförderung

Im Sommer 2015 startete die DFG gemeinsam mit der russischen Forschungsförderungsinstitution Russian Science Foundation (RSF) einen Aufruf zur Einreichung gemeinsamer Projekte von deutschen und russischen Wissenschaftlern in den Bereichen Physik, Mathematik und Weltraumwissenschaften.

Insgesamt 120 Anträge gingen ein. In einem Peer-Review-Verfahren wurden davon 14 besonders förderungswürdige Projekte identifiziert, die im Sommer 2016 an den Start gehen. Mit dabei ist das mit über 500.000 Euro ausgestattete Projekt „DFG-RSF: Entwicklung einer Molekül-Strahlquelle für polarisiertes Deuterium als Treibstoff für Fusionsforschung und andere Anwendungen“ Düsseldorfer, Jülicher und russischer Forscher.

Hintergrund: Kernfusionsreaktoren als mögliche Energiequelle der Zukunft

Mit Kernfusionsreaktoren will man das Sonnenfeuer kontrolliert auf die Erde holen und damit Energie erzeugen. Das Grundprinzip von Sonne und Reaktoren ist ähnlich: Bei sehr hohen Temperaturen werden die Atomkerne des Wasserstoffs zu schwereren Elementen, hier zunächst Heliumkernen, verschmolzen. Durch die sogenannte Massendifferenz zwischen den Aus-gangsprodukten und dem Endprodukt wird eine große Menge Energie frei.

Auch wenn es sich bei Fusionskraftwerken um kerntechnische Anlagen handeln wird, so haben diese gegenüber Kernspaltungsreaktoren einen ent-scheidenden Vorteil: Es kann zu keinen unkontrollierten Kettenreaktionen kommen, denn der Fusionsprozess stoppt sofort, sobald die künstlich hergestellten Bedingungen ausfallen. Zum anderen entstehen keine langlebigen radioaktiven Abfälle; zwar können auch Teile des Reaktors aktiviert werden, allerdings sind die Halbwertszeiten dabei so klein, dass die strahlenden Teile innerhalb weniger Jahre bis Jahrzehnte abklingen.

Man unterscheidet zwei Formen von Fusionsreaktoren: Plasmareaktoren mit Magneteinschluss und Trägheitsfusionsanlagen. Zu ersteren gehört der im französischen Cadarache in Bau befindlichen ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Bei dieser Anlage soll erstmals mehr Energie erzeugt werden, als zur Herstellung der Reaktionsbedingungen verbraucht wird. Hierzu wird ein heißes, ionisiertes Gas aus den Wasserstoffisotopen Deuterium (bestehend aus einem Proton und einem Neutron) und Tritium (ein Proton, zwei Neutronen) erzeugt. Das mehrere 100 Millionen Grad Celsius heiße Plasma wird mittels starker Magnetfelder in einem großen Vakuumgefäß zusammengehalten. Bei Kollisionen bei den hohen Temperaturen überwinden die Wasserstoffkerne ihre elektrische Abstoßung und ver-schmelzen miteinander.

Bei Trägheitsfusionsanlagen wird eine kleine Brennstoffmenge mittels des gleichzeitigen Beschusses zum Beispiel mit Laserstrahlen erhitzt und extrem verdichtet (deutlich höher als in Plasmareaktoren). Hierdurch sollen entsprechende Bedingungen für das Zünden der Fusion entstehen.

In Deutschland gibt es unter anderem zwei große Plasma-Forschungsanlagen, die beide vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik betrieben werden: In Garching bei München steht der nach dem Tokamak-Prinzip arbeitende ASDEX-UPGRADE, in Greifswald der im Jahr 2015 in Betrieb genommene Wendelstein 7X, ein sogenannte Stellerator. Beide Anlagen unterscheiden sich durch die Form des einschließenden Magnetfeldes. Bis 2013 wurde darüber hinaus am Forschungszentrum Jülich das Tokamak-Experiment TEXTOR betrieben, welches – unter federführender Beteiligung Düsseldorfer Physiker – wichtige Erkenntnisse zur Wechselwirkung des heißen, eingeschlossenen Gases mit den Wänden des Vakuumgefäßes lieferte.

Kontakt Prof. Dr. Markus Büscher

Institut für Laser- und Plasmaphysik der HHU
Tel.: 0211 – 81 14960
E-Mail: markus.buescher@hhu.de

Peter Grünberg Institut
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 – 61 6669
E-Mail: m.buescher@fz-juelich.de

Dr.rer.nat. Arne Claussen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.hhu.de/
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

nachricht Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics