Proton

Physiker in den USA und Japan haben erstmals die Kernfusion zwischen Protonen und Bor-11-Atomen in einem magnetisch eingeschlossenen Plasma beobachtet. Sie sagen, dass das Ergebnis das Potenzial der Proton-Bor-Fusion als reichlich vorhandene und wirtschaftliche Energiequelle zeige. Andere warnen jedoch davor, dass die wissenschaftliche Grundlage für eine solche Energiequelle noch weitgehend unbewiesen ist und dass kommerzielle Kraftwerke vor großen technischen Hürden stehen.

Alle Formen der Kernfusion versprechen eine nahezu unbegrenzte, saubere Grundlastenergie ohne die Probleme möglicher Kernschmelzen und langlebiger Abfälle, die bei der Kernspaltung auftreten. Aber die Proton-Bor-Fusion (p11B) bringt im Vergleich zu den gängigeren Reaktionen mit den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium einige zusätzliche Vorteile mit sich.

Bor lässt sich leicht abbauen, während Tritium auf der Erde selten und schwer künstlich herzustellen ist. Bei den Proton-Bor-Reaktionen entstehen außerdem drei Heliumatome (Alphateilchen), deren Energie im Prinzip direkt in Elektrizität umgewandelt werden könnte, ohne dass Neutronen erzeugt werden, wodurch die radioaktive Kontamination von Reaktorkomponenten erheblich verringert wird.

Diese Pluspunkte haben jedoch ihren Preis. Die Deuterium-Tritium-Fusion selbst erfordert enorme Temperaturen, um die gegenseitige Abstoßung der Kerne zu überwinden – rund 100 Millionen Kelvin. Aber Proton-Bor-Reaktionen erfordern noch weitaus extremere Bedingungen – etwa 1,5 Milliarden Kelvin.

Wie die Autoren der neuesten Forschung in einem in Nature Communications veröffentlichten Artikel erklären, wird normalerweise umso mehr Energie in Form von Synchrotron- und Bremsstrahlung abgestrahlt, je höher die Temperatur eines Plasmas ist. Sie weisen darauf hin, dass es dadurch schwieriger wird, durch Fusionsreaktionen mehr Energie zu erzeugen, als für den Betrieb eines Reaktors erforderlich ist – ein großes Problem, wenn eine kommerzielle Anlage wahrscheinlich einen Energiegewinn von mindestens 50 benötigt, um Ineffizienzen bei der Stromerzeugung zu überwinden Verfahren.

Die neue Arbeit wurde von Richard Magee und Kollegen des kalifornischen Fusionsunternehmens TAE Technologies zusammen mit Wissenschaftlern des National Institute for Fusion Science in Toki, Japan, durchgeführt. Die Forscher führten ihre Experimente am Large Helical Device (LHD) des Instituts durch, einem Stellarator, in dem bereits der erforderliche Fusionsbrennstoff vorhanden ist: Die Protonen werden als hochenergetische neutrale Strahlen abgefeuert, während Borpulver in das Plasma injiziert wird, um Verunreinigungen zu reduzieren.

TAE lieferte den Detektor, der auf einem teilweise verarmten Siliziumhalbleiter beruhte, der einen Strom erzeugte, wenn er von Alphateilchen getroffen wurde. Es wurde entwickelt, um eine fehlerhafte Registrierung von Signalen von Röntgenstrahlen und anderer Plasmastrahlung zu vermeiden, indem es vom Kernplasma abgewinkelt wurde und die geladenen Alphateilchen durch das große Magnetfeld des LHD dorthin gelenkt wurden.

Die Forscher führten im Februar letzten Jahres mehrere Dutzend experimentelle Aufnahmen durch. Sie beobachteten Fusionsreaktionen, indem sie das Signal auf ihrem Detektor vor und nach dem Einschalten der Neutralstrahlen verglichen und einige Schüsse ohne Borpulver durchführten. Erst als sie sowohl neutrale Strahlen als auch Borpulver hatten, konnten sie einen Leistungssprung erzielen – der genaue Wert verriet ihnen, dass sie etwa 1012 Fusionsreaktionen pro Sekunde erzeugten, was mit Computersimulationen übereinstimmte.

Dies ist nicht die erste Demonstration der Proton-Bor-Fusion – Wissenschaftler haben sie bereits zuvor mit Teilchenbeschleunigern und leistungsstarken Lasern beobachtet. Die amerikanisch-japanische Zusammenarbeit argumentiert jedoch, dass es wichtig sei, die Reaktion dort zu untersuchen, wo sie letztendlich genutzt werden würde – in einem magnetisch eingeschlossenen thermonuklearen Plasma. Die Forscher erkennen an, dass noch viel mehr Arbeit geleistet werden muss, sind jedoch zuversichtlich, dass TAE in einem seiner Geräte einen Energiegewinn erzielen wird.

Tatsächlich behauptet TAE, auf dem besten Weg zur kommerziellen Fusionsenergie zu sein. Das Unternehmen hat eine Reihe immer ausgefeilterer Reaktoren gebaut, um die Feldfusion mit umgekehrter Konfiguration zu erforschen, bei der Plasmaimpulse in eine Kammer abgefeuert und durch Drehen magnetisch an Ort und Stelle gehalten werden. Keines der Geräte konnte bisher eine Protonen-Bor-Fusion nachweisen – der aktuelle „Norman“-Reaktor verwendet ein Wasserstoffplasma –, aber das Unternehmen sagt, es beabsichtige, bis Anfang der 2030er Jahre Strom aus einem Pilot-Protonen-Bor-Kraftwerk ins Netz einzuspeisen.

Der Zündmeilenstein der National Ignition Facility löst neue Impulse für die Laserfusion aus

Peter Norreys, Plasmaphysiker an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich, sagt, die Forscher hätten bei ihren Experimenten „gute Arbeit“ geleistet. Er argumentiert jedoch, dass die Proton-Bor-Fusion noch weit davon entfernt ist, mit Deuterium-Tritium-Reaktionen zu konkurrieren. Eine mögliche Komplikation sei seiner Meinung nach die Notwendigkeit relativistischer Beschreibungen der Plasmadynamik bei so hohen Temperaturen. Er hält es auch für wahrscheinlich, dass Bremsstrahlung den Plasmaeinschluss beeinträchtigen könnte, indem sie die Innenflächen eines Reaktors erodiert.

Auch Wissenschaftler des EUROfusion-Konsortiums in Garching werden bewacht. Tony Donné, Hartmut Zohm und Volker Naulin sagten gegenüber Physics World, dass die beobachtete Reaktionsgeschwindigkeit in den neuesten Experimenten etwa zehn Größenordnungen zu gering sei, um für die Fusionsenergie nützlich zu sein (unter Berücksichtigung der geringen Leistungsdichte von Proton und Bor).

Sie haben „starke Zweifel“, dass es jemals möglich sein wird, die für die kommerzielle Stromerzeugung erforderlichen Gewinne zu erzielen, und warnen davor, dass die Bremsstrahlung tatsächlich so stark sein könnte, dass sie die zum Erhitzen und Steuern des Plasmas erforderliche Leistung übersteigt – was dazu führt, dass das Plasma zerstört wird Zusammenbruch.