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Der andere Weg zur Kernfusion

Mit der für den SIS-Beschleuniger vorgesehenen Intensitätserhöhung wird in den nächsten Jahren in der Plasmaforschung völliges Neuland erschlossen. Es wird möglich sein, die Eigenschaften von Materie unter extremen Bedingungen bei Drücken von mehreren Megabar und Temperaturen bis zu einigen hunderttausend Kelvin zu untersuchen. Schon die jetzt vorliegenden Ergebnisse lassen die Trägheitsfusion als eine technisch mögliche Alternative zur Kernfusion in Tokamaks und Stellaratoren erscheinen. Die GSI beteiligt sich mit Blick auf diese Zukunftsoption an einer europäischen Studiengruppe, die die technische Realisierbarkeit eines Schwerionentreibers prüfen und dazu einen konkreten Projektvorschlag erarbeiten soll.

Auf hohe Energie beschleunigte schwere Ionen sind sehr effiziente Energieträger und aufgrund ihrer Wechselwirkungseigenschaften in idealer Weise geeignet, in Materie hohe Energiedichten zu erzeugen. Die hohen Kernladungszahlen bewirken eine sehr effektive Energiedeposition, und die Reichweite in Materie läßt sich über die Energie der Ionenstrahlen präzise einstellen. Damit ermöglichen sie einen neuen Zugang zur Erzeugung dichter Plasmen und erlauben es, die Eigenschaften der Materie unter extremen Bedingungen von Druck und Temperatur im Labormaßstab unter reproduzierbaren Bedingungen zu erforschen.

Ein Strahl von Neon-Ionen dringt mit einer Energie von 300 MeV pro Nukleon in einen Glaskörper ein.Entlang der Teilchenbahn wird die Energie sehr homogen deponiert und führt zu einer gleichmäßigen Volumenaufheizung. Erst kurz vor dem Abstoppen der Ionen, im sogenannten Bragg-Maximum, kommt es aufgrund erhöhter Energiedeposition zu einer starken Aufheizung des Targetmaterials.

Oben kann man das Bild der schnellen Lichtwandlerkamera sehen, unten die Auswertung der detektierten Lichtstärken entlang der Bahn in relativen Einheiten.

So hat die Untersuchung von Wechselwirkungsprozessen schwerer Ionen mit ionisierter Materie durch die Entwicklung und den Ausbau der Beschleunigeranlagen der GSI neue entscheidende Impulse erhalten. Es stehen nunmehr Schwerionenstrahlen in einem weiten Energiebereich zur Verfügung, von 45 keV pro Nukleon bis über 1 GeV pro Nukleon, so daß über die Energie auch die Reichweite der Ionen in Materie variiert werden kann. Beispielsweise dringt ein Strahl von Neon-Ionen (Ne10+) mit einer Energie von 300 MeV pro Nukleon fast 50 mm tief in einen Glaskörper ein.

Das entlang der Wechselwirkungsstrecke erzeugte Licht ist ein Maß für die deponierte Energie und läßt sich mit einer schnellen Lichtwandlerkamera aufnehmen. Über einen weiten Bereich wird die Energie sehr gleichmäßig deponiert und führt zu einer homogenen Aufheizung des Targetvolumens. Am Ende kommt es jedoch zu einer lokal stärkeren Aufheizung durch erhöhte Energiedeposition - das Bragg-Maximum.

Tieferes Verständnis der Wechselwirkungsprozesse von Ionen

Zündung einer Wasserstoffentladung zur Untersuchung der Wechselwirkung von Uran-Ionen mit einem Plasma. Mit dieser Anordnung konnte zum ersten Mal der erhöhte Energieverlust von schweren Ionen beim Durchgang durch ein Plasma nachgewiesen werden.

Das Diagramm zeigt den theoretischen Verlauf der in einem Festkörpertarget erreichten Temperaturen als Funktion der eingebrachten Leistungsdichte. Die für die plasmaphysikalischen Untersuchungen besonders interessanten Bereiche sind durch Pfeile angedeutet. Die für einen Fusionstreiber erforderlichen Leistungsdepositionen liegen um zwei bis drei Größenordnungen über den am SIS erreichbaren Werten, können aber bereits mit der nächsten Generation von Hochstrom-Ionenbeschleunigern in den Bereich des technisch Machbaren rücken.

Ziel der bisherigen Untersuchungen ist ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungsprozesse von Ionen mit heißer ionisierter Materie. Für einen großen Energiebereich wurde der Energieverlust von Ionen in einem vollständig ionisierten Plasma und der Einfluß der ionisierten Materie auf die Ladungsverteilung der das Plasma durchquerenden Ionen gemessen.

Dabei hat sich gezeigt, daß sowohl die Ladungsverteilung als auch der Energieverlust in starkem Maße vom Ionisationsgrad, der Temperatur und der Dichte des Plasmas abhängen und die Energieverluste im Plasma stets höher sind als im kalten Gas. Dieser Effekt ist bei kleinen Ionenenergien besonders ausgeprägt. Hier wird im Plasma ein fast 40fach höherer Energieverlust als für das entsprechende kalte Wasserstoffgas beobachtet. Die Ursache dafür ist die effektivere Energieübertragung auf die freien Elektronen im Plasma und der höhere Ladungszustand der Projektil-Ionen, der sich im Plasma einstellt.

In den kommenden Jahren wird im Rahmen eines Intensitäts-Erhöhungsprogramms für schwere Ionen eine Steigerung der im SIS beschleunigten Ströme um mehr als zwei Größenordnungen angestrebt. Damit können die in Festkörpern erzeugten Leistungsdichten von gegenwärtig etwa 0.1 TW/g (Terrawatt pro Gramm) auf Werte um 10 TW/g gesteigert werden. Temperaturen von 20 bis 30 eV - oder umgerechnet etwa 200000 bis 350000 K (Kelvin) - werden erreichbar. In Verbindung mit den hohen Teilchendichten der im Festkörper erzeugten Plasmen eröffnet dies den Zugang zu bisher unerforschten Regionen der Plasmaphysik.

So kann die Zustandsgleichung von »normaler« Materie - im Gegensatz zur Kernmaterie - unter extrem hohen Drücken von mehreren Megabar (Mbar) und extrem hohen Temperaturen untersucht werden. Auf diese Weise sollte es beispielsweise möglich sein, metallischen Wasserstoff zu erzeugen. Bei Temperaturen oberhalb von 10 eV werden in den heißen dichten Plasmen hydrodynamische Phänomene erwartet. In der Gegend um und oberhalb von 30 eV sollte schließlich die Strahlungsphysik einsetzen, das heißt, es sollte sich Hohlraumstrahlung beobachten lassen. Das SIS wird somit in den nächsten Jahren völliges Neuland auf dem Gebiet der Plasmaforschung erschließen.

Die damit möglich gewordenen Untersuchungen sind aber nicht nur für die physikalische Grundlagenforschung interessant. Sie beinhalten darüber hinaus wichtige Vorarbeiten für das technologische Fernziel eines nach dem Prinzip der Trägheitsfusion betriebenen Fusionsreaktors, englisch: »Inertial Confinement Fusion (ICF)«. Von dem Ziel der Zündung eines Fusionstargets sind die am SIS erreichbaren Leistungsdichten freilich noch um zwei bis drei Größenordnungen entfernt. Die hierfür erforderlichen Spezifikationen könnten jedoch bereits mit der nächsten Generation von Hochstrom-Ionenbeschleunigern erreicht werden.

Bisher wurden in erster Linie Hochleistungslaser und Kurzpuls-Leichtionen-Beschleuniger als Treiber eines ICF-Reaktors diskutiert. Forschungsergebnisse der jüngsten Zeit haben jedoch gezeigt, daß Schwerionen-Beschleuniger bei weitem am geeignetsten sind. Das gilt insbesondere, wenn der Reaktor unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zur Energieerzeugung eingesetzt werden soll. Der Vorteil von Schwerionen-Beschleunigern besteht vor allem in der hohen Repetitionsrate für die Erzeugung intensiver Ionenpulse und dem hohen Wirkungsgrad für die Umsetzung von Netzleistung in Ionenstrahl-Energie. Weitere Vorteile sind durch die spezifischen Eigenschaften der Schwerionenstrahlen begründet. Im Gegensatz zu Laserstrahlen dringen sie in das Volumen des Targetmaterials ein und ermöglichen damit dessen effektive Aufheizung, und im Gegensatz zu Leichtionenstrahlen aus Pulsleistungsbeschleunigern können intensive Schwerionenstrahlen gut fokussiert werden.

Ziel der Fusionsforschung ist es, in kontrollierter Weise Energie aus thermonuklearen Fusionsprozessen zu gewinnen. Von den vielen möglichen Fusionsreaktionen ist die Verschmelzung der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium am einfachsten zur Energiegewinnung zu nutzen, denn sie läuft schon bei Temperaturen von 50 Millionen Grad mit einem vergleichsweise hohen Reaktionsquerschnitt ab. Dazu muß der Fusionsbrennstoff aus Deuterium und Tritium (D und T) auf diese hohe Temperatur aufgeheizt und so lange zusammengehalten werden, bis ein erheblicher Bruchteil miteinander reagiert hat und dabei mehr Energie freigesetzt wird, als zum Aufheizen eingesetzt wurde.

Bei der indirekten Heizung wird das Fusionstarget von zwei Seiten einer intensiven Schwerionenbestrahlung ausgesetzt. Im Konvertermaterial wird die Energie der Schwerionenstrahlung dann in Hohlraumstrahlung - eine weiche Röntgenstrahlung - umgewandelt. Unter Einwirkung dieser Strahlung verdampft die Hülle des Targets explosionsartig und verdichtet den Fusionsbrennstoff im Innern der Hohlkugel durch ihre nach innen geschleuderten Bestandteile. Die damit verbundene kugelsymmetrische Implosion erzeugt die zur Einleitung des Fusionsprozesses notwendigen hohen Temperaturen und Dichten.

Die Trägheitsfusion verläuft nach folgendem Prinzip: Das DT-Gemisch ist im inneren Wandmaterial einer Hohlkugel von einigen Millimetern Durchmesser eingeschlossen. Diese wird einer intensiven Strahlung ausgesetzt, so daß das schlagartig aufgeheizte Wandmaterial explosionsartig verdampft und dabei der Fusionsbrennstoff durch Rückstoß nach innen beschleunigt wird.

Durch die kugelsymmetrische Implosion wird der DT-Brennstoff im Zentrum hoch verdichtet und auf die zur Einleitung der Fusionsprozesse notwendige Temperatur gebracht. Dabei hält die Massenträgheit das Plasma bei hoher Verdichtung ohne zusätzliche Magnetfelder für kurze Zeit zusammen. Es kommt nur darauf an, die Dynamik dieses Prozesses so zu steuern, daß ein zentraler Bereich hoher Temperatur entsteht, damit es dort zur Zündung der Fusionsreaktionen kommt.

Dieser »gezündete« Bereich des Plasmas breitet sich dann aufgrund der einsetzenden Selbstheizung weiter aus und erfaßt schließlich einen großen Teil des gesamten Brennstoffs. Das geschieht durch die als Fusionsprodukte entstehenden Heliumkerne und in geringem Maße auch durch die bei den Verschmelzungsreaktionen freigesetzten Neutronen. Die Verdichtung des DT-Gemisches muß Werte von über 200 g/cm3 erreichen, also etwa die tausendfache Dichte von flüssigem DT. Um diesen Prozeß in einem Fusionstarget zu initiieren, ist ein Strahlungspuls mit einem Energieinhalt von einigen Megajoule (MJ) notwendig.

Die Aufheizung des Wandmaterials des Fusionstargets kann sowohl direkt als auch indirekt erfolgen, also durch unmittelbare Bestrahlung mit einem intensiven Puls schwerer Ionen oder durch Aufheizen eines Konvertertargets, das die umgewandelte Strahlungsenergie an das Brennstoffgemisch in seinen Hohlraum abgibt. Für beide Fälle ist es wichtig, die grundlegenden Wechselwirkungsmechanismen von schweren Ionen mit heißer ionisierter Materie zu verstehen.

Strahlpulse von mehr als 1000000000000000 Ionen
Die Anforderungen an einen Fusionsbeschleuniger sind sehr hoch. Innerhalb von 10 Nanosekunden (ns) muß eine Energie von etwa 5 bis 10 MJ in der äußeren Wand beziehungsweise in der Konverterregion des Fusionstargets deponiert werden, um diese auf 300 eV aufzuheizen. Bei einer kinetischen Energie von 10 GeV (bei Wismut-Ionen entspricht dies 50 MeV pro Nukleon) sind dazu Strahlpulse mit einer Intensität von mehr als 1015 Ionen notwendig. Der fortgeschrittene Stand der Beschleunigerphysik sowie neue Techniken und Ideen, solche intensiven Ionenpulse zu erzeugen, zu transportieren und auf ein Target zu fokussieren, lassen es möglich erscheinen, diese Parameter in einem zukünftigen dedizierten Schwerionentreiber zu erreichen.

Im Hinblick auf die Erzeugung hoher Intensitäten kommt der Entwicklung und Optimierung neuer Linearbeschleunigerstrukturen besondere Bedeutung zu. Die Aufnahme zeigt eine bei GSI gebaute IH-Struktur, die nun für die Beschleunigung hoher Teilchenströme modifiziert werden soll.

So steht die Beschleunigerphysik vor einer großen Herausforderung, der sie sich im Rahmen eines breit angelegten Programms der physikalischen Grundlagenforschung bei der GSI und an anderen führenden Beschleunigerlaboratorien stellt, um die Möglichkeiten und Perspektiven der mit Ionenstrahlen betriebenen Trägheitsfusion zu untersuchen.
Mit Blick auf dieses Fernziel beteiligt sich die GSI an einer europäischen Studiengruppe, die in den kommenden drei Jahren die technische Realisierbarkeit eines solchen Schwerionentreibers prüfen und dazu einen konkreten Projektvorschlag ausarbeiten soll.

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