Die Kernfusion gilt als mögliche Energiequelle der Zukunft. Doch damit genug Atome im Plasma von Fusionsreaktoren verschmelzen, sind extreme Temperaturen von mehr als 100 Millionen Grad und eine hohe Plasmadichte nötig. Nur dann beginnt eine Kettenreaktion, bei der die Kernfusion sich ohne weitere Energiezugabe selbst erhält und der Fusionsreaktor mehr Energie erzeugt als in ihn hineingesteckt werden muss. Eine weltweit erste Zündung eines Fusionsplasmas gelang zwar schon im Jahr 2022. Diese hielt aber nur Sekundenbruchteile an. Andere Testreaktoren sind nicht leistungsstark genug oder noch im Bau, wie die internationale Fusionsanlage ITER.
Eine Formel für die Zündung: Das Lawson-Kriterium
Wann ein Fusionsplasma zündet, wird durch eine schon in den 1950er Jahren aufgestellte mathematische Formel beschrieben, das sogenannte Lawson-Kriterium. Nach diesem muss das Produkt von Einschlusszeit des Plasmas, Teilchendichte und Temperatur größer sein als 6 x 1028 sK/m3. Welches Verhältnis von Teilchendichte zu Temperatur und Zeit optimal ist und in welcher Reihenfolge Dichte und Temperatur des Fusionsplasmas erhöht werden sollten, geht daraus jedoch nicht hervor. Auch welche anderen Faktoren die Zündung erschweren können, war bislang nur in Teilen geklärt.
Jetzt haben Physiker der Princeton University um Luis Delgado-Aparicio das Lawson-Kriterium um vier Parameter erweitert, die die Plasmazündung neueren Erkenntnissen zufolge beeinflussen und behindern. Die neue Formel berücksichtigt, wie viel Helium – nicht nutzbares Fusionsprodukt - sich im Plasma ansammelt, wie viel Hitze mit zunehmender Temperatur verloren geht und wie viel Energie die negativ geladenen Teilchen des Plasmas durch Synchrotronstrahlung verlieren. Der vierte Parameter sind Verunreinigungen des Fusionsplasmas durch Material aus den Reaktorwänden.
Wird die Lawson-Formel durch diese Parameter ergänzt, zeigen sich deutliche Einflüsse auf die Plasmazündung – und einige bisher als vielversprechend geltende Reaktordetails erweisen sich als Hindernis. „Wenn man diese Effekte weglässt, scheint das Design bestens. Aber wenn man sie berücksichtigt, ändert sich das Bild“, erklärt Co-Autor Masayuki Ono. Mithilfe ihrer erweiterten Formel haben die Physiker ermittelt, welche Faktoren optimiert werden könnten, um mit weniger Energie zur Plasmazündung zu kommen.
Schema des Fusionsreaktors ITER, der zurzeit in Frankreich gebaut wird. Das doughnutförmige Fusionsplasma wird in diesem Reaktor des Tokamak-Typs durch Magnetfelder in der Schwebe gehalten. — © US ITER
Das Problem der Wolfram-Verunreinigung
Ein Beispiel dafür sind die Reaktorwände der meisten gängigen Fusionsanlagen, darunter Tokamaks und Stellaratoren: In diesen Reaktoren halten Magnetfelder das Millionen Grad heiße Fusionsplasma in der Schwebe, weil kein Material dem direkten Kontakt länger standhalten würde. Zusätzlich sind die Reaktorwände mit Wolfram beschichtet, weil dieses Element besonders hitzebeständig ist. Durch die enorme Hitze lässt sich aber nicht verhindern, dass auch die Wolframschicht allmählich erodiert – Wolframatome verdampfen und können ins Plasma übergehen.
Doch das erweiterte Lawson-Kriterium zeigt: Wenn dies geschieht, bremst die Wolframverunreinigung die Kernfusion erheblich. In einem 2D-Modell erhöhte ein Wolfram-Atom pro 10.000 Plasmateilchen den für die Zündung nötigen Plasmadruck auf das Doppelte, wie die Physiker ermittelten. In einem 3D-Modell verschob die Wolframverunreinigung die Zündung über den Punkt hinaus, an dem das Fusionsplasma instabil wird – ein funktionierender Fusionsreaktor könnte damit in weite Ferne rücken.
Es gäbe aber Abhilfe: Eine mögliche Lösung für das Wolfram-Problem wäre es, die Reaktorwände der Fusionsanlage mit flüssigem Lithium zu beschichten, wie Delgado-Aparicio und seine Kollegen erklären. Diese Technik wird am Princeton-Plasmaphysiklabor schon seit längerem erforscht.
Erst Hitze, dann Druck?
Eine weitere Optimierung ist die Abfolge von Aufheizen und Komprimieren des Fusionsplasmas. Der neuen Formel zufolge erfordert es weniger Energie, wenn man das Fusionsplasma erst aufheizt und dann durch starke Magnetfelder auf die nötige Dichte komprimiert. Denn zu starke Magnetfelder können die Kernfusion hemmen und die Zündung in höhere Energiebereiche verschieben.
Ebenfalls hilfreich wäre den Physikern zufolge die Nutzung von spinpolarisiertem Fusionsbrennstoff – Teilchen, deren magnetische Momente gleichgerichtet sind. Dies würde Energieverluste im Plasma verringern und könnte das Plasma gleichzeitig stabilisieren. Denn wie Delgado-Aparicio und sein Team ermittelten, begünstigen die Prozesse, die zum Energieverlust im Plasma führen, auch thermische, sich selbst aufschaukelnde Instabilitäten.
Um den Gipfel herum statt direkt hinauf
Delgado-Aparicio vergleicht den Weg zur Plasmazündung mit dem Versuch, im Gebirge einen optimalen Weg zu einem hinter dem höchsten Gipfel liegenden Ziel zu finden. „Viele Fusionskonzepte wollen den Berg auf dem direktesten Weg besteigen und benötigen dafür enorme Energie“, erklärt der Physiker. „Unser Weg sieht vor, den Gipfel zu umgehen, das ist effizienter.“
Nach Ansicht der Physiker können die neue Formel für das Lawson-Kriterium und ihre Optimierungsvorschläge dazu beitragen, das Design von Fusionsanlagen zu verbessern und das Risiko für teure Fehlschläge zu vermeiden. „Fusionsexperimente kosten eine Menge Geld, daher sollte man keine Fehler machen, die sich vermeiden lassen“, sagt Ono. Die neuen Erkenntnisse bieten nun einen Weg, Fusionskonzepte vor dem Bau auf Basis eines realistischeren Modells zu prüfen.
Quelle: Luis Delgado-Aparicio (Princeton University) et al., Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/mmc9-nzfx
