Neuer Temperaturrekord bei chinesischem Kernfusionsexperiment 06. Jan 2022 Von Stephan W. Eder

Kernfusion: Neue Möglichkeit durch hochfrequent gepulste, elektrische Felder

Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat herausgefunden, wie Spannungsspitzen gepulster elektrischer Felder Kernfusionsprozesse verstärkt induzieren könnten.

Künstlerische Darstellung der Potenzialbarriere der Fusionsreaktion von Bor-11 mit einem Proton, bei der drei Alphateilchen als Reaktionsprodukte entstehen. Das Tunneln des Protons kann dabei durch gepulste, sich zeitlich schnell verändernde elektrische Felder verstärkt werden – hier symbolisiert durch einen Blitz.
Foto: HZDR/Sahneweiß

Die Abteilung für Theoretische Physik am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf um Direktor Ralf Schützhold hat herausgefunden, wie sich Kernfusionsprozesse durch extrem starke und schnelle gepulste elektrische Felder deutlich verstärken lassen. Das berichtete das Institut Donnerstag dieser Woche.

Kernfusionen werden durch den quanten-mechanischen Tunneleffekt ermöglicht. „Eine Folge des Tunneleffekts ist es, dass gleichartig geladene Teilchen ihre gegenseitige Abstoßung überwinden können, auch wenn ihre Energie dafür eigentlich gar nicht ausreicht – zumindest nicht nach den Gesetzen der klassischen Mechanik“, so Schützhold. In der Physik wird diese Abstoßung durch den Begriff der Potenzialbarriere beschrieben. Statt sie sehr energieaufwendig zu überwinden, erlauben die Gesetze der Quantenmechanik, quasi den kurzen Weg direkt durch die Barriere zu nehmen. „Durchtunneln“ heißt das auch im Physikerjargon. So kann es zur Fusion kommen.

So altbekannt wie dieser Effekt ist, gibt es nach Angaben der Dresdner Physiker aber noch unbekanntes Terrain. Friedemann Queisser, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Schützholds Abteilung, bringt die Ergebnisse wie folgt auf den Punkt: „Unsere Berechnungen zeigen jetzt erstmals eine Besonderheit von gepulsten, sich zeitlich schnell verändernden elektrischen Feldern: Sie können dafür sorgen, dass die Teilchen, bildlich gesprochen, aus der Potenzialbarriere herausgeschubst werden und so leichter tunneln.“ Das zeigen die Berechnungen des Teams vom HZDR ganz konkret an verschiedenen Beispielen.

Kernfusion: Reaktion mit Vorteilen

Die theoretischen Physiker haben sich dabei auch die Verschmelzung eines Protons mit dem Isotop Bor-11 vorgenommen. Dabei entstehen drei jeweils zweifach positiv geladene Alphateilchen. Das ist ein Helium-Atomkern; da die beiden Elektronen fehlen, ist der verbleibende Kern als zwei Neutronen und zwei Protonen zweifach positiv ionisiert.

Bemerkenswert an dieser Reaktion sei, so das HZDR in seiner Mitteilung, dass die Energie in Form geladener Teilchen – eben jener Alphateilchen – freigesetzt werde, und nicht als Neutronenstrahlung wie bei den derzeit bekanntesten Fusionsreaktionen. Das habe Vorteile: Zum einen würden die Probleme, die mit dem Neutronenfluss verbunden seien, deutlich reduziert, zum anderen könne die Energie geladener Teilchen direkt und damit viel einfacher in Elektrizität umgewandelt werden.

Proton-Bor-Kernfusion braucht extreme Bedingungen

Die für die Nutzung der Reaktion erforderlichen Bedingungen seien jedoch noch extremer als die der im aktuellen, internationalen Fusionsreaktor-Experiment Iter favorisierten Deuterium-Tritium-Fusion, so die Dresdner. Die Zündung der Proton-Bor-Reaktion sei „im Vergleich dazu schwieriger, die Wissenschaft sucht noch nach gangbaren Wegen“. Das Team um Schützhold zeigt nun insofern eine Möglichkeit für solch einen gangbaren Weg auf, als dass ein hinreichend schnelles und starkes gepulstes elektrisches Feld die Proton-Bor-Reaktion deutlich verstärken. Dies gelte allerdings auch für die Deuterium-Tritium-Fusion.

Die Erzeugung solcher Felder sei jedoch sehr schwierig. „Weltweit sind Anlagen im Bau oder in Planung, die immer höhere Energien auf immer kürzere Zeitspannen und immer kleinere Raumbereiche konzentrieren sollen“, sagt Schützhold. Leider seien die heute verfügbaren Anlagen noch nicht ganz in der Lage, derartig schnelle und starke „künstliche Blitze“ zu erzeugen.

Kernfusion: Neues Denkmodell für die Zukunft

Laut Schützhold gibt es aber einen möglichen Ausweg. Statt die extrem stark gepulsten Felder extern zu erzeugen, haben sich die theoretischen Physiker sozusagen vor Ort, im atomaren Maßstab quasi, die Situation angeschaut, wenn ein Alphateilchen an einem Proton vorbeifliegt. „Das elektrische Feld eines schnell und vor allem dicht am Proton vorbeifliegenden Alphateilchens kann wie ein solches gepulstes elektrisches Feld wirken und so stark zustoßen, dass das Proton die Potenzialbarriere von Bor-11 durchtunneln und die Fusionsreaktion auslösen kann“, heißt es in der Mitteilung des HZDR.

Solche Alphateilchen mit der dafür notwendigen Pulsenergie werden bei der Proton-Bor-Reaktion auch tatsächlich erzeugt, können aber auch von außen eingeschossen werden, ergänzen die Wissenschaftler. Das Prinzip also ist klar, noch aber ist das der Anfang einer theoretischen Betrachtung. Es liegt also noch Arbeit an, bis Experimentalphysiker die Vorhersagen verifizieren können.

China erreicht neuen Temperaturrekord bei eigenem Kernfusionsexperiment

Unterdessen meldete das Institut für Plasmaphysik an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (ASIPP) in einer kurzen Mitteilung am Silvestertag, dass am Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) in Hefei (Ostchina) ein neuer Temperaturrekord erzielt worden sei. 1056 s lang habe eine Plasmatemperatur von 70 Mio. °C gehalten werden können. China ist ebenfalls an Iter beteiligt.

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