Aus FUSION 4/97:

KERNFUSION

USA: Durchbruch in den Forschungslabors von Sandia

Z-Beschleuniger ebnet den Weg für die Trägheitsfusion


Was ist Trägheitsfusion?
Wie man Truthähne und Kritiker grillt

Was hat man in Sandia gemacht?

Der Plasma-Z-Pinch

Die Ampère-Kraft

Der entscheidende Schritt, der den Erfolg der Sandia-Forscher möglich machte, bestand darin, daß ein Z-Pinch als Endstufe der gepulsten Energietechnologie verwendet wurde. Der Z-Pinch selbst wird bereits seit vier Jahrzehnten erforscht. Seine Grundidee stammt von dem russischen Wissenschaftler Andrej Sacharow aus den vierziger Jahren und wurde später von Winston Bostick, einem Gründungsmitglied des Fusions-Energie-Forums und einer der führenden Pioniere der Fusionsforschung, aufgegriffen und insbesondere in der Form des Plasmapinchs weiterentwickelt.

Bostick unterbreitete seinen Vorschlag Anfang April 1983, als er und der Autor dieses Artikels verschiedene potentielle Kandidaten für die wissenschaftliche Leitung der am 23. März 1983 von Präsident Reagan angekündigten Strategischen Verteidigungsinitiative (SDI) befragten. Bosticks Vorschlag bestand darin, daß man anstelle der separaten Entwicklung verschiedener Strahlentypen, etwa Ionenstrahlen und Elektronenstrahlen, mit denen die Trägheitsfusionstargets beschossen werden, lieber den Energiepuls der Energiequelle in Sandia an einen Z-Pinch anschließen solle, um den Plasmaprozeß selbst dafür sorgen zu lassen, die zum Zünden der Kernfusion nötigen Energiedichten zu erzeugen. Nun, zehn Jahre später, macht man in Sandia genau das.

Was ist Trägheitsfusion?

Bei der Kernfusion verschmelzen schwere Wasserstoffatome zu Helium. In einem Liter Meerwasser ist genug schwerer Wasserstoff, um das Energieäquivalent von 300 Litern Benzin zu gewinnen, wobei der schwere Wasserstoff nur ein winziger Anteil des Wasserstoffs ist, der aber auf sehr billige Weise - für ein paar Pfennige - extrahiert werden kann. Die Kernfusion ist deswegen eine potentiell billige, saubere und schier unerschöpfliche Energiequelle für die Weltwirtschaft der nächsten Jahrhunderte.

Das Prinzip des Trägheitseinschlusses wurde im Prinzip erstmals in den fünfziger Jahren in den USA und der Sowjetunion vorgeführt, und zwar durch die Explosion der Wasserstoffbombe. Um ein kontrolliertes, wirtschaftlich anwendbares Verfahren handelte es sich dabei natürlich nicht, denn es wurde eine Atombombe benutzt, um einen riesigen Röntgenstrahlenblitz zu erzeugen, der auf eine Kugel aus Fusionsbrennstoff auftraf und die obere Schicht davon schlagartig verdampfte, wodurch der Rest wie von einer Rakete nach innen getrieben und verdichtet wurde. Dabei entstand eine Stoßwelle, die im letzten Schritt des Verdichtungsprozesses das Zentrum der Brennstoffkugel aufheizte. Das ist die Art und Weise, wie bei der Trägheitsfusion Temperaturen von hunderten von Millionen Grad und sehr hohe Dichten erzeugt werden, welche für die Fusionsreaktion nötig sind. Dabei wird nur der innerste Teil des Fusionsbrennstoffs durch die Implosion erhitzt und der restliche Brennstoff wird durch die Energie, die von der dort einsetzenden Fusionsreaktion ausgeht, aufgeheizt und "verbrannt".

Der Prozeß der Trägheitsfusion kann als eine Folge von Energieverstärkungs- und Abstimmungsprozessen beschrieben werden, der schließlich zu den Bedingungen führt, die für die Kernfusion benötigt werden. In einer Wasserstoffbombe zündet chemischer Sprengstoff das Kernspaltungsmaterial, indem es dieses zur kritischen Masse verdichtet und die Kettenreaktion in Gang setzt. Die Kernspaltungsexplosion ist dann Hunderte Male stärker als die sie einleitende chemische Explosion. Die Feuerkugel der Kernspaltungsreaktion besitzt dann aber erst ein Hundertstel der Energiedichte, die für die Zündung der Kernfusionsreaktion nötig ist. Erst der erwähnte Implosionsprozeß und die thermonukleare Brennfront verstärken die Energie der Kernspaltungsexplosion auf das Hundertfache und erzeugen die Bedingungen für die Kernfusion.

Hochenergie-Laserstrahlen und gepulste Energiequellen, wie der Z-Beschleuniger von Sandia, sind sogenannte "Treiber" für die Trägheits-Kernfusion, die viel intensiver sind, als die durch eine Atombombe herbeigeführte Implosion. Deswegen lassen sich damit Fusionsexplosionen erzeugen, deren Energieabgabe millionenfach geringer ist als bei der Wasserstoffbombe, d.h. eine technisch kontrollierbare Anwendung wird möglich.

Wie man Truthähne und Kritiker grillt

Benjamin Franklin wurde oft kritisiert, weil bei seinen "ätherischen" wissenschaftlichen Studien auf dem Gebiet der Elektrizität keine praktischen Nutzanwendungen erkennbar waren. Deshalb lud Franklin seine Kritiker einmal zu einem Grillfest ein, bei dem er eine Anzahl von Leidener Flaschen entlud, deren Kabelverbindungen durch mehrere Truthähne führten. Die Truthähne waren auf diese Weise sehr gut gegart - teilweise sogar etwas verbrannt - und Franklins pragmatischen Kritikern der Mund gestopft. Ironischerweise haben die Arbeiten am Sandia National Laboratory, die in Zusammenarbeit mit russischen Wissenschaftlern durchgeführt werden, gezeigt, daß Benjamin Franklins Herangehensweise nicht nur zum Grillen von Truthähnen und Kritikern gut funktioniert, sondern auch zum "Kochen" thermonuklearer Fusionsprozesse. Außerdem hat diese Arbeit Konsequenzen bezüglich der Kontroverse zwischen der vorherrschenden Maxwellschen Theorie des Elektromagnetismus und der alternativen Elektrodynamik von Ampère, Gauß, Weber und Riemann.

Was hat man in Sandia gemacht?

Im Juli 1997 hat man in Sandia gezeigt, daß der Z-Beschleuniger als Technologie für die Trägheitsfusion geeignet ist. Der Beschleuniger, der eigentlich nichts anderes ist als eine sehr große Leidener Flasche, erzeugte einen 210 Milliarden Watt starken Puls von Röntgenstrahlen. Diese Röntgenstrahlen können dazu benutzt werden, in kleinen Fusionsbrennstoffkugeln sehr hohe Dichten und Temperaturen zu erzeugen, wie sie für das Ingangsetzen der Kernfusionsreaktion nötig sind. Und genau wie bei Benjamin Franklins Truthahn wird die Entladung der "Leidener Flasche" in Sandia durch Drähte ins Ziel geleitet. Dreihundert dünne Drähte bilden dabei eine zylindrische Konfiguration von der Größe eines Fingerhuts. Das Brennstoffkügelchen wird in diesem "Fingerhut" angebracht.

Das Erfolgsgeheimnis von Sandia besteht darin, daß die Energie des elektrischen Pulses, der durch diese Drähte fließt, nicht sofort dissipiert, sondern erst in einem Magnetfeld gespeichert wird, das durch den Stromfluß in den Drähten erzeugt wird. Wenn jedoch eine bestimmte Schwelle erreicht ist, wird die in dem erzeugten Magnetfeld kurzzeitig gespeicherte Energie sehr effektiv in die aus den Drähten stammenden Elektronen eingekoppelt, die Elektronen werden aufgeheizt und dadurch dann ein Röntgenstrahlenpuls erzeugt. Dieser ist, wegen des erwähnten Speichereffekts, viel intensiver als der ursprüngliche elektrische Puls. Auf diese Weise wird die Leistung so weit verstärkt, daß sie für die Zündung von Fusionsreaktionen ausreicht.

Mitte der achtziger Jahre haben Wissenschaftler in Waffentestanlagen in Nevada nachgewiesen, daß in kleinen Brennstoffkugeln mit einem derartigen Röntgenstrahlenpuls die Fusionsreaktion erfolgreich gezündet werden kann. Dies geschah damals im Rahmen des Halite-Centurion-Programms, wobei kleine Atomexplosionen in einer unterirdischen Kammer benutzt wurden. Eine für diese Zwecke besonders ausgelegte kleine Atombombe erzeugte einen Röntgenstrahlenpuls von der Intensität, die man für die Zündung von Fusionsreaktionen vorausberechnet hatte, und tatsächlich wurden die Brennstoffkügelchen erfolgreich gezündet.

Man fand dabei heraus, daß für die Zündung der existierenden Arten von Brennstoffkügelchen etwas mehr Energie und eine etwas höhere Leistung als vorausberechnet notwendig war. Man benötigte Röntgenblitze von einigen Megajoule Energie bei einer Leistung von einigen hundert Billionen Watt.

Die Leistung des Z-Beschleunigers in Sandia wurde in zehn Monaten von 40 auf 210 Billionen Watt gesteigert. Zwar wird eine weitere Steigerung um das Fünffache für die Zündung von Fusionsreaktionen nötig sein, doch mit dem erzielten Ergebnis hat der Z-Beschleuniger bereits bewiesen, daß er als Technologie für diese Aufgabe geeignet ist. Sandia beabsichtigt einen neuen Beschleuniger zu bauen, dessen Leistung über 1000 Billionen Watt liegt, bei einem Energieniveau von 16 Megajoule. Die Kosten dieses neuen Beschleunigers werden auf 300 Millionen Dollar veranschlagt.

Der Prozeß, der in dem in Sandia verwendeten System abläuft, besteht aus mehreren aufeinanderfolgenden Stufen der Energieverdichtung, an dessen Endpunkt der Z-Pinch steht. Zuerst wird eine Reihe von Kondensatoren langsam aufgeladen. Ein Hochgeschwindigkeitsschalter setzt diese gespeicherte elektrische Energie frei, wobei ein Stromstoß von mehreren Zehnmillionen Ampère bei mehreren Millionen Volt Spannung entsteht. Dieser Stromstoß erreicht eine Leistungsspitze von 50 Billionen Watt und dauert weniger als eine Millionstel Sekunde. Diese immense Verdichtung des Energieflusses wird dadurch erreicht, daß für den Stromfluß besondere geometrische Anordnungen gewählt werden, für die der elektrische Puls in Raum und Zeit geformt werden kann. Außerdem wird magnetische Isolation benutzt, um zu verhindern, daß der Stromstoß vorzeitig ausbricht und womöglich die Z-Pinch-Konfiguration gar nicht erreicht.

Der Apparat, in dem das geschieht, ist der PBFA-Z (Particle Beam Fusion Accelerator) in Sandia. Dieser PBFA-Z sieht wie ein Swimmingpool aus und benutzt in der Tat hauptsächlich Wasser als Isolator. Wie der Name sagt, wurde diese Anlage ursprünglich für die Erzeugung von Teilchenstrahlen entwickelt. Im Rahmen der entscheidend von LaRouche mit entworfenenen Strategischen Verteidigungsinitiative (SDI) wurden in den vergangenen 15 Jahren signifikante Fortschritte auf dem Gebiet der gepulsten Energiesysteme erreicht, aber erst nachdem sich bei den Versuchen, Fusionskügelchen mit leichten Ionen zu zünden, schier unüberwindliche Schwierigkeiten ergaben, wurde der erwähnte Vorschlag von Sacharow nach 50 Jahren wieder aufgegriffen.

Der Plasma-Z-Pinch

Der Schlüssel für den Erfolg des PBFA-Z war die Erzeugung eines Z-Pinch-Plasmas. Die Wissenschaftler, die diesen erstaunlichen Durchbruch erzielt haben, geben selber zu, daß sie eigentlich nicht verstehen, warum ihr Experiment so gut funktioniert. Sie leiten, wie bereits gesagt, den Stromstoß in 300 dünne Drähte, die jeweils etwa 2 cm lang sind und einen fingerhutgroßen Zylinder bilden. Während der Stromstoß durch diese Konfiguration fließt, verwandelt er die Drähte in ein Hochtemperaturplasma. Dieses fliegt jedoch nicht sofort auseinander, sondern der durch die Drähte geleitete Strom erzeugt ein Magnetfeld, welches das Plasma zusammenquetscht (das ist der sogenannte "Pinch"-Effekt) und dessen Durchmesser immer kleiner werden läßt. Dadurch steigt die Stromdichte des Stromstoßes, was wiederum das Magnetfeld verstärkt, welches das Plasma nun wiederum stärker zusammendrücken kann. Wenn dieser Pinch-Prozeß einen kritischen Schwellenwert erreicht, bricht das Magnetfeld zusammen, und die darin gespeicherte Energie wird schlagartig auf die Elektronen des Plasmas übertragen. Die Bewegung dieser energiereichen Elektronen erzeugt dann den Röntgenstrahlenpuls von 210 Terrawatt Leistung.

Die Ampère-Kraft

Warum sind die Wissenschaftler überrascht, daß ihr Z-Pinch so gut funktioniert? Die normale Maxwellsche Theorie der Elektrodynamik sagt voraus, daß diese Z-Pinch-Konfiguration sofort instabil wird und zusammenbricht. Genau das geschieht aber nicht. Die Wissenschaftler sehen sich daher mit einer Erscheinung konfrontiert, einer Singularität, die es vom Standpunkt der normalen makrophysikalischen Elektrodynamik gar nicht geben darf, und es ist deshalb vielleicht die Maxwellsche Theorie, welche anstelle des Z-Pinchs zusammenbricht.

Dieses Versagen der normalen makroskopischen Elektrodynamik wurde übrigens von den eigentlichen Entdeckern der Elektrodynamik - dem französischen Wissenschaftler André Marie Ampère und den deutschen Wissenschaftlern Carl Gauß und Wilhelm Weber, welche Ampères Arbeiten aufgriffen und weiterführten - schon vorhergesehen (siehe auch Dr. Jonathan Tennenbaum, "Die elektrodynamische Revolution von Gauß und Weber" in FUSION 1, 1997).

Im Kern handelt es sich dabei um folgendes: Ein Eisenatom zum Beispiel scheint völlig das gleiche zu sein, wenn es einmal Teil toter Materie, z.B. einem Stück Erz, und ein andermal Teil lebender Materie, z.B. im Hämoglobin, ist. In Wirklichkeit unterscheidet es sich jedoch sehr bezüglich seiner physikalischen Wirkung und in seiner physikalischen Geometrie - seiner Konfiguration der Elektronenbahnen, zum Beispiel.

Gauß betont in seinen Briefen an Weber, daß Ampères Elektrodynamik eine sehr kleine abstoßende Kraft enthält, von der Gauß behauptet, daß diese in normalen Laborexperimenten kaum feststellbar ist. Dennoch, so erinnert Gauß seinen Kollegen Weber, als dieser vorschlägt, diese Kraft zu vernachlässigen, ist die "Ampère-Kraft" ein Eckstein von Ampères Elektrodynamik, der nicht unbeachtet bleiben darf. Genau das hat aber die Elektrodynamik im 20. Jahrhundert gemacht, sie hat die Hypothese Ampères ignoriert und deshalb festgestellt, daß das Atom und der Kern mysteriöse Wesen sind, die völlig neue Kräfte und eine völlig neue Mechanik brauchen. Ampères abstoßende Kraft ist dem elektrischen Strom direkt proportional, und es kann sehr gut möglich sein, daß die starken Stromstöße, wie sie in Sandia im PBFA-Z auftreten, in ein Regime vorstoßen, in dem diese Ampère-Kraft sich so deutlich bemerkbar macht, daß sie nicht mehr vernachlässigt werden kann.

Charles B. Stevens