Mit starken Lasern zur Fusion: HZDR-Wissenschaftler wollen die Verschmelzung von Atomkernen quantenmechanisch anstoßen

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.

Seit vielen Jahren arbeiten Wissenschaftler an Konzepten, mit denen sich aus der Fusionsenergie Strom erzeugen ließe. „Zum einen ist es die Aussicht auf eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle. Zum anderen sind es die vielen noch vorhandenen, technologischen Hürden, zu deren Meisterung wir mit unserer Arbeit einen Beitrag leisten wollen“, beschreibt Prof. Ralf Schützhold, Direktor der Abteilung für Theoretische Physik am HZDR, die Motivation seiner Forschung.

Tunneln auf hohem, aber demnächst zugänglichem Niveau
Um eine Kernfusion auszulösen, müssen die starken elektrischen Abstoßungskräfte der miteinander zu verschmelzenden, gleichartig geladenen Atomkerne überwunden werden. Dazu sind normalerweise hohe Energien notwendig. Doch es gibt noch einen weiteren Weg, erläutert Dr. Friedemann Queißer, Co-Autor der Studie: „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.“

Der Vorgang ist kein theoretisches Konstrukt, sondern Realität: So reichen die im Sonnenkern anzutreffenden Temperaturen und Druckverhältnisse nicht aus, um die Energiebarriere für eine Fusion von Wasserstoffkernen zu überwinden. Die Fusion findet trotzdem statt: Die vorherrschenden Bedingungen gestatten, über eine genügende Zahl von Tunnelprozessen die Fusionsreaktion aufrecht zu erhalten.

In ihrer aktuellen Arbeit untersuchten die HZDR-Wissenschaftler, ob die Unterstützung von Tunnelprozessen mittels Strahlung eine kontrollierte Fusion erleichtern kann. Doch auch das ist eine Frage der Energie: Je niedriger sie ist, desto unwahrscheinlicher wird das Tunneln. So war die Leistung herkömmlicher Laserstrahlung für das Auslösen solcher Prozesse bislang zu gering.

XFEL und Elektronenstrahlen zur Unterstützung von Fusionsreaktionen
Das könnte sich bald ändern: Mit Freie-Elektronen-Lasern mit Röntgenlicht (XFEL, X-Ray Free-Electron Laser) lassen sich bereits Leistungsdichten in einer Größenordnung von 10^20 Watt pro Quadratzentimeter erreichen. Das entspricht in etwa dem Tausendfachen der auf die Erde einstrahlenden Leistung unserer Sonne, gebündelt auf die Fläche einer 1-Eurocent-Münze. „Damit stoßen wir in Bereiche vor, die eine Unterstützung solcher Tunnelprozesse mit starken Röntgenlasern möglich erscheinen lassen“, so Schützhold.

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 XFEL erzeugt werden kann. Die Dresdner Wissenschaftler haben das anhand der Fusion der Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium theoretisch untersucht. Diese Reaktion gilt heute als eine der aussichtsreichsten, wenn es um erfolgversprechende Konzepte für künftige Fusionskraftwerke geht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich auf diesem Wege die Tunnelrate erhöhen lässt; 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, wie etwa in Japan und den USA – oder in Deutschland, wo mit dem Röntgenlaser European XFEL der weltstärkste Laser seiner Art steht. 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.

Als nächstes wollen die Dresdner Starkfeld-Physiker noch tiefer in die Theorie eintauchen, um auch andere Fusionsreaktionen besser verstehen und deren Potenzial für mittels Strahlung unterstützte Tunnelprozesse abschätzen zu können. Solche wurden bereits bei Laborsystemen, wie Quantenpunkten in der Festkörper-Physik oder Bose-Einstein-Kondensaten, beobachtet, doch im Falle der Kernfusion steht der experimentelle Nachweis noch aus. Perspektivisch halten die Autoren der Studie auch andere Strahlungsquellen zur Unterstützung von Tunnelprozessen für möglich. Zu Elektronenstrahlen liegen bereits erste theoretische Ergebnisse vor.

Publikation:
F. Queisser, R. Schützhold: Dynamically assisted nuclear fusion, Physical Review C, 2019 (DOI: 10.1103/PhysRevC.100.041601)

Weitere Informationen:
Prof. Ralf Schützhold
Direktor der Abteilung für Theoretische Physik am HZDR
Tel.: +49 351 260-3618 | E-Mail: r.schuetzhold@hzdr.de

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Prof. Ralf Schützhold
Direktor der Abteilung für Theoretische Physik am HZDR
Tel.: +49 351 260-3618 | E-Mail: r.schuetzhold@hzdr.de

F. Queisser, R. Schützhold: Dynamically assisted nuclear fusion, Physical Review C, 2019 (DOI: 10.1103/PhysRevC.100.041601)

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