mini|hochkant=1.7|Stationen des Zündens einer Trägheitsfusionsreaktion: 1. Laser- oder Röntgenstrahlung heizt das nur mm-große Fusionstarget auf der Oberfläche als Plasma auf. 2. Der Fusionsbrennstoff wird durch den nach innen gerichteten Implosionsdruck der äußeren Schicht komprimiert. 3. Der Brennstoff erreicht die zum Zünden nötige hohe Dichte und Temperatur. 4. Kernfusionsprozesse finden statt und die dabei entstehenden Neutronen und Heliumatomkerne setzen ein Vielfaches der eingesetzten Energie frei. Anm.: Blaue Pfeile stehen für nach innen gerichtete Strahlungsprozesse, orange für nach außen gerichtete; violette stellen die zur Kompression dienende thermische Energie (Schockwelle) dar Als Trägheitsfusion () werden Kernfusionsverfahren mittels Trägheitseinschluss bezeichnet, bei denen für sehr kurze Zeit geeignete Bedingungen für thermonukleare Reaktionen, meist die Verschmelzung der Wasserstoffkerne Deuterium und Tritium, geschaffen werden. Eine weitere genutzte und synonyme Bezeichnung ist .
Beschreibung Die Trägheitsfusion ist eine Anwendung aus der Hochenergiedichtephysik (HEDP), die als Energie- oder Treiberquelle Hochleistungs-Laser nutzt. Man spricht daher auch von Laserfusion. Sie ist eine Alternative zur Fusion mit magnetischem Einschluss, die z. B. in Tokamak- oder Stellaratorreaktoren realisiert werden kann.
Ein mit ICF/IFE verwandtes Prinzip (viz. Trägheitseinschluss) wird in thermonuklearen Waffen wie der Wasserstoffbombe eingesetzt, weshalb das Prinzip viele Jahrzehnte der Geheimhaltung unterlag. Ab den 1990er Jahren begann das Department of Energy (DOE) jedoch auf Initiative von Wissenschaftlern um Guillermo Velarde („Manifest von Madrid“) mit einer umfangreichen Deklassifizierung von Details durch einen Prüfungsausschuss, um die zivile Nutzung der Kernfusion mittels Trägheitsfusion zu fördern.
ICF wird aktiv in den USA am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und an der University of Rochester erforscht. Es gibt jedoch auch große Anlagen in anderen Ländern wie Frankreich, Russland, Japan oder China. Mögliche zivile Anwendungen von ICF, z. B. als Kraftwerk, werden verstärkt seit den 2010er Jahren im Rahmen der Forschung untersucht.
Prinzip Anders als beim magnetischen Einschluss des Fusionsplasmas in einem Kernfusionsreaktor wird bei dem ursprünglich überwiegend für militärische Zwecke entwickelten Trägheitseinschluss das Lawson-Kriterium dadurch erfüllt, dass der Brennstoff in einem Millimeter-großen, kugelförmigen Fusionstarget durch sehr schnelle Energiezufuhr extrem verdichtet und auf die erforderliche Temperatur von etwa 100 Millionen Grad aufgeheizt wird.
Eine mehrtausendfache Dichtekompression ist Voraussetzung dafür, dass die bei der Fusion erzeugten energiereichen Heliumatomkerne ihre Energie durch Stöße wieder im Brennstoff abgeben. Nur dadurch ist es möglich, dass ein Großteil des Brennstoffs durch Kernfusion „abbrennt“. Die dafür nötige Einschlussdauer beträgt dann nur Nanosekunden. Während dieser kurzen Zeit genügt die Masseträgheit des Plasmas selbst, um es zusammenzuhalten; daher die Bezeichnung Trägheitsfusion. Die Trägheitsfusion wird daher auch als „Miniaturisierung der Wasserstoffbombe“ bezeichnet.
Entwicklungsgeschichte Militärische Forschung Historisch entstand das Interesse an der Trägheitsfusion als Ersatz für das Verbot oberirdischer Kernwaffentests zur Weiterentwicklung von Nuklearwaffen im Atomteststoppvertrag aus dem Jahr 1963. Ein Vorteil der Trägheitsfusion als „Miniaturisierung“ der Wasserstoffbombe wurde auch darin gesehen, mit den sehr kleinen (Milligramm-)Brennstoffmengen in einer gut zugänglichen Reaktionskammer wissenschaftliche Untersuchungen durchführen zu können.
Die Arbeiten zur Trägheitsfusion gewannen erheblich an Bedeutung, nachdem seit den frühen 1970er Jahren auch leistungsfähige Neodym-Glas-Laser (vgl. Nd:YAG) zur Verfügung standen. Erstmals öffentlich dargelegt wurden 1972 die Überlegungen zur Trägheitsfusion mit Lasern und einer damit möglichen Energieerzeugung in einem Fachartikel von John Nuckolls und Kollegen. Weitere frühe Beiträge zu ICF stammen von John Lindl. Zur weltweit führenden Einrichtung auf diesem Gebiet entwickelte sich in den späten 1970er Jahren das Lawrence Livermore National Laboratory in den USA mit dem Shiva-Laser und in den 1980er Jahren dem deutlich leistungsfähigeren NOVA-Laser. Maßgeblich für diese Entwicklung war auch das umfangreiche LASNEX-Computerprogramm, das die physikalischen Prozesse weitgehend modellieren konnte und bereits als Basis für die Konzipierung und Auswertung von Nova-Experimenten diente.
Nova konnte zwar das Ziel der Zündung eines Fusionstargets nicht erreichen, lieferte aber eine breite wissenschaftliche Grundlage für die Genehmigung des Baus der weit größeren Anlage National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory ab 1997. Die anfänglich auf 1,2 Mrd. USD geschätzte Finanzierung von NIF im Rahmen des sog. „Stockpile Stewartship“-Programms zum Erhalt der Kernwaffenkapazität ohne Nukleartests belief sich bis zur tatsächlichen Inbetriebnahme am Ende auf 3,5 Mrd. USD.
Mit NIF vergleichbar ist die ebenfalls militärischen Zielen gewidmete französische Versuchsanlage Laser Mégajoule (LMJ), deren Bau 2004 in der Nähe von Bordeaux begann und die 2025 die volle Leistung erreichen soll.
Zivile Forschung mini|464x464px|Schema eines möglichen IFE-Kraftwerks. Als Transfermedium im Primärkreislauf wird flüssiges Salz verwendet. Im Sekundärkreislauf wird Dampf erzeugt, der einen Turbosatz antreibt, der wiederum elektrische Energie (Strom) liefert.Herausgegeben vom Naval Research Laboratory (NRL) 2020 Bestrebungen, die Trägheitsfusion für die zivile Energiegewinnung zu erforschen, waren in der Anfangszeit erheblich dadurch eingeschränkt, dass ihre militärische Nutzung in den USA und in weiteren Ländern mit Kernwaffenprogrammen (u. a. Großbritannien, Frankreich) einer offenen, zivilen Forschung und Anwendung im Wege stand. Die schrittweise Aufhebung eines Großteils der militärischen Geheimhaltung in den USA mit Beginn der 1990er Jahre trug in der Folge nicht unerheblich zur wissenschaftlichen Erforschung dieses Konzepts bei.Barbara Goss Levi: Veil of Secrecy is Lifted from Parts of Livermore's Laser Fusion Program, Physics Today 47, 9, 17 (1994). NIF blieb zwar primär auf militärische Anwendungen ausgerichtet, verfolgt aber auch das Ziel, zur Entwicklung astrophysikalischer Forschung und der Grundlagen für eine nachhaltige Energiequelle beizutragen. Als Nebenmotiv für die hohen Investitionen in diese Anlagen wurde teils auch die „Soziologie der Waffenlabore“ angeführt, da diese nach dem Zurückfahren der atomaren Aufrüstung neue Projekte bräuchten, um junge Wissenschaftler anzuziehen.H. Darnbeck: US-Militär will Kernfusion im Kleinformat erforschen. In: Spiegel Online vom 25. März 2008.
Größere Anlagen, die ausschließlich der zivilen Grundlagenforschung und Energiegewinnung mittels Trägheitsfusion dienen, gingen seit den 1990er Jahren mit den OMEGA-Laseranlagen an der University of Rochester (UR), USA, sowie der GEKKO-Anlage in Osaka, Japan, in Betrieb. GEKKO ist weltweit auch die größte Anlage der Trägheitsfusion in einem Land ohne eigene militärische Kernenergieforschung.
Daneben entstanden weltweit viele mittlere und kleine Anlagen, in denen mit modernen Hochleistungslasern die Physik „dichter Plasmen“ auch im Hinblick auf die Trägheitsfusion untersucht wurde und zum Teil heute noch untersucht wird, so beispielsweise in Deutschland mit dem PHELIX-Laser an der GSI Darmstadt.
Verfahren Durch energiereiche, genügend fein fokussierbare Licht- oder Teilchenstrahlen kann eine kleine Menge Fusionsbrennstoff innerhalb eines Reaktorgefäßes sehr schnell aufgeheizt werden. Dabei wird zwischen zwei Verfahren unterschieden, dem indirect drive und dem direct drive. Eine Weiterentwicklung ist die fast ignition-Methode sowie die lasergetriebene „Strahlfusion“.
Indirect Drive Beim indirect drive gelangt die Laserenergie – mindestens zwei Strahlen aus entgegengesetzten Richtungen, in den meisten Konzepten aber eher zwei Bündel von vielen Strahlen – durch kleine Öffnungen in das Target, einen Hohlkörper von einigen Millimetern Größe. In dessen Innerem befindet sich das eigentliche Fusionstarget, eine kleine Kugel aus einigen Milligramm Fusionsbrennstoff in fester Form, etwa ein gefrorenes Deuterium-Tritium-Gemisch. Die Strahlen treffen auf die Innenwand eines Targets und heizen sie so auf, dass das entstehende Plasma im Röntgenbereich thermisch strahlt. Durch Strahlungstransport werden alle Oberflächen, einschließlich der des Fusionstargets, gleichmäßig erhitzt, siehe Hohlraumstrahlung. Das von der Oberfläche wegfliegende Plasma führt über den dabei auftretenden Rückstoßeffekt dazu, dass der restliche Brennstoff konzentrisch zusammengedrückt wird. Im Zentrum der dabei auftretenden, kugelförmigen Schockwelle reicht die Temperatur aus für eine Fusionsreaktion.
Direct Drive Alternativ dazu wird beim direct drive die mit dünnem Glas oder Metall umhüllte Brennstoffkugel direkt mittels der als Treiber dienenden Strahlen komprimiert. Diese Methode erfordert erhöhte Präzision, da die Rayleigh-Taylor-Instabilität jede Abweichung von der exakten Kugelsymmetrie verstärkt und damit die erforderliche Kompression verhindern würde. Sie hat aber den Vorteil, dass die Energieübertragung auf das Laser-Fusionstarget deutlich effizienter ist als beim indirect drive Verfahren.
Fast Ignition Ein weiteres – in den späten 1990er Jahren am Lawrence Livermore National Laboratory entwickeltes – Verfahren ist die fast ignition-Methode, bei der Kompression und Zündung getrennt herbeigeführt werden. Dabei wird ein zusätzlicher hochintensiver und extrem kurzer Laserpuls auf das zuvor komprimierte Fusionstarget gerichtet, der es möglichst zentral bis zur Fusionszündung aufheizen soll.Fast ignition online Dieses zunächst mit hohen Erwartungen verknüpfte Verfahren stellte sich, aufgrund der komplizierten Physik des Eindringens des Laserpulses in den hochkomprimierten Brennstoff, als schwierig heraus. Es wird aber immer noch – auch experimentell – weiterverfolgt.
Forschungsüberblick Ein wichtiger Unterschied zwischen Experimenten mit jeweils einzelnen „Schüssen“ – bei NIF typisch 1–2 pro Tag – und einem dauerhaft Nutzenergie liefernden Reaktor liegt darin, dass im Reaktor die Targets in schneller Folge (mehrere pro Sekunde) positioniert und gezündet werden müssen. Außerdem setzt ein Netto-Energiegewinn einen ausreichend hohen Wirkungsgrad der sog. „Treiber“ voraus, die die Energie für die Zündung der Fusionstargets liefern sollen.
Der Schwerpunkt der Forschung lag aber bisher auf dem experimentellen Nachweis der „einmaligen“ Zündung eines Fusionstargets mit ausreichendem Energiegewinn. Theoretische Studien über geeignete Treiber für Nutzenergie beinhalteten bis in die 1990er Jahre auch Ionenstrahlen statt Laserstrahlen aufgrund eines günstigeren Wirkungsgrads und höherer Schussfolgeraten.
Die Entwicklung starker Hochleistungslaser hatte auch ein neues Interesse an der neutronenfreien Proton-Bor-Reaktion zur Folge.
Lasergetriebene Versuchsanlagen mini|Der ältere Hochleistungslaser NOVA am Lawrence Livermore National Laboratory mini|Blick ins Innere eines A315-Verstärkers (zweitgrößter Verstärker, freier Strahldurchmesser 315 mm) des NOVA-Systems (USA) und des PHEBUS (Frankreich). Der Verstärker wird seit 2003 in Deutschland für das Hochenergie-Lasersystem PHELIX als Hauptverstärker eingesetzt
National Ignition Facility (USA)