Kernfusion: US-Modell aus Princeton zeigt günstigeren Weg zur Zündung – ohne Experimente

Ein Modell aus den USA dreht die Reihenfolge um

Forschende der Princeton University haben eine Studie in den Physical Review Letters veröffentlicht, die einen energetisch günstigeren Weg zur Kernfusion beschreibt. Das Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums hatte dafür ein Modell gerechnet – Messungen oder Versuche an einem Reaktor waren nicht beteiligt.

Kernfusion gilt seit Jahrzehnten als schwieriges Ziel, weil ein Stern im Labor nachgestellt werden muss. Zündung ("ignition") bedeutet: Das Plasma erzeugt durch die Fusionsreaktionen so viel Energie, wie es selbst verbraucht. Laut den Quellen wurde eine erfolgreiche Zündung erstmals 2022 am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien erreicht.

Vier Verluste, die bisher getrennt betrachtet wurden

Grundlage der Arbeit ist eine Erweiterung des Lawson-Kriteriums, das in den 1950er-Jahren entwickelt wurde und festlegt, welche Bedingungen ein Reaktor für die Zündung erfüllen muss. Neu ist, dass die Forschenden vier weitere Effekte in die Berechnung einbeziehen: Heliumasche aus verbrauchtem Brennstoff, Verunreinigungen des Plasmas durch die Reaktorwände, sogenannte Synchrotronstrahlung als Verlust sowie abfließende Wärme. Diese Größen waren zuvor untersucht, aber nie gemeinsam.

Physiker Masayuki Ono formuliert es so: Lasse man diese Effekte außen vor, sehe die Konstruktion gut aus – nehme man sie hinein, ändere sich das Bild.

Erst heizen, dann verdichten

Gesucht wurde nach dem sogenannten Cordey-Sattel: dem Pfad zur Zündung, der die wenigste Energie kostet. Die Rechnungen ergaben: Das Plasma sollte zuerst aufgeheizt und erst danach verdichtet werden – nicht umgekehrt. Physiker Luis Delgado-Aparicio vergleicht das mit einer Berglandschaft (sinngemäß übersetzt): "Viele Unternehmen wollen den Berg frontal erklettern und geben enorme Energie aus, um dorthin zu gelangen. Gehen Sie stattdessen um den Gipfel herum. Sie erreichen denselben Ort auf viel klügere Weise und verwenden weit weniger Energie."

Wolfram als Stöpsel im Plasma

Deutlicher weniger gut fällt der zweite Befund aus: Schon eine geringe Menge Wolfram kann die Fusion stören. Laut OilPrice verdoppelt ein Anteil von einem Teil Wolfram auf 10.000 Teile Plasma den Druck, der für die Zündung nötig ist. Nach einer im Original über Interesting Engineering referenzierten Meldung haben mehr als ein Dutzend geplante Fusionsmaschinen Wolfram für ihre Innenwände gewählt, weil das Metall extrem hohe Temperaturen aushält.

Als Gegenmaßnahme wird eine Beschichtung der Innenflächen mit flüssigem Lithium geprüft, um zu verhindern, dass Wolfram ins Plasma gelangt. Die Modelle zeigten zudem natürliche "Bremsen": Strahlungs- und Wärmeverluste könnten die Plasmareaktionen stabilisieren, den Zündungsbeginn aber erschweren.

Was ist neu

Der Rechenansatz ist es, nicht ein Experiment: Die erstmals gemeinsame Modellierung der vier Verlustmechanismen macht die Zündungsfrage für geplante Anlagen realistischer abschätzbar. Eine dotierte Datierung der Veröffentlichung nennen die Quellen nicht.

Warum das zählt

Mehr als ein Dutzend nächster Generation-Maschinen ist in Planung oder Bau, und Ölpreise und ua.news zufolge fließt wegen des KI-Booms zusätzlich Kapital in alternative Energien. Wer Zündung energetisch günstiger erreicht, spart Entwicklungszeit und -kosten. Zugleich liefert die Studie eine Warnung für Konstrukteure – und einen möglichen Lösungsweg.

Was ist noch unklar

Alles bleibt Theorie: Es gab keine Versuche, und Jonathan Menard sagt (sinngemäß übersetzt), weitere Studien seien nötig, die Ergebnisse zeigten aber einen klaren Weg für künftige Forschung. Wie gut die beschriebene Beschleunigung in der Praxis ausfällt, ist offen. Experten sind sich laut ScienceAlert uneinig, wie lange es bis zu laufenden Fusionsreaktoren dauert – und ob es sie je geben wird; von praktischer oder kommerzieller Nutzung ist die Disziplin weit entfernt.

Zum Trendland Kanada: Die Quellen berichten ausschließlich von US-Institutionen in Princeton und Kalifornien. Eine Verbindung zu Kanada, etwa zu dortigen Fusionsexperimenten, wird nicht genannt und lässt sich aus diesen Quellen nicht belegen.

Wie es weitergeht

Die Autoren sehen ihr Rahmenwerk als Grundlage, um Zündungsreichweite, Stabilität und Leistung künftiger Anlagen zu bewerten. Die Lithium-Beschichtung als Schutz vor Wolframverunreinigung wird weiter geprüft.