Dem Plasma einheizen
Die beiden großen Probleme bei der Kernfusion sind das Erhitzen des Plasmas und der Einschluss. Um so heißer das Plasma wird, um so schneller sich die Teilchen darin bewegen, um so schwieriger wird es das Plasma stabil einzuschließen. Aber zunächst stellte sich die Frage, wie ein Plasma überhaupt auf die nötigen Temperatuen bekommt.
Eine einfache Möglichkeit ein Plasma zu heizen, ist Strom. Ein Plasma besteht aus Ladungsträger und kann deswegen Strom leiten. Zwei Elektroden mit einer Spannung im Plasmabehälter können einen Strom fließen lassen. Die strömenden Ladungsträger übertragen dabei ihre Energie durch elektrostatische Kräfte auf den Rest des Plasmas. Der gleiche Strom hilft dabei, das Plasma einzuschließen, denn um jeden fließenden Strom herum bildet sich ein Magnetfeld.
Wenn zwei Ströme parallel fließen, dann entsteht eine Kraft zwischen beiden, die sie aufeinander zu bewegen lässt. Das ist äußerst praktisch, denn so schnürt sich ein Plasma von allein ein, wenn ein Strom durch fließt. Das alles passiert in einem beinahe-Vakuum, was bekanntlich ein guter Isolator ist. Wenn also nur genug Strom durch das Plasma fließt, dann sollte es sich aufheizen und von allein im freien Raum zu einem dichten Paket zusammen schnüren und dabei Kernfusion möglich machen. Das alles in einem kleinen Experiment, das auf eine Werkbank passt.
Die Anfangszeit: Die Physik macht nicht mit
In der Anfangszeit der 1950er Jahre schien das selbst mit kleinen Geräten eine lösbare Aufgabe zu sein. Ein Strom, der mit einer Spannung durch das Plasma getrieben wird, erzeugt ein eigenes Magnetfeld, durch das sich das Plasma selbst einschnürt. Aber es stellten sich bald Probleme mit diesen Pinch-Experimenten ein. Die Energieverluste waren um Größenordnungen höher, als vor den Versuchen vermutet worden war. Es wurden viel mehr Teilchen aus dem Plasma geschleudert als zuvor angenommen. Die Einschnürung funktionierte nicht so gut wie erhofft.
Der Grund waren Instabilitäten. Wo der Strom im Plasma nicht vollständig gerade verläuft, entsteht ein Anteil im Magnetfeld, der diesen Knick im Strom vergrößert. Bald darauf gab es Versuche, diese “Kink-Instabilität” auszugleichen. Es wurden Magnetfelder von außen benutzt, um das Plasma zu stabilisieren, anstatt sich nur auf das Magnetfeld zu verlassen, das vom Plasma selbst erzeugt wird.
Es wurden verschiedene Konzepte entwickelt, aber im Laufe der 50er und 60er Jahre wurde immer klarer, dass Fusionsexperimente auf der Werkbank keine brauchbaren Energiemengen freisetzen würden. Dadurch verschwand auch der Optimismus, dass schon in kurzer Zeit die ersten Fusionskraftwerke gebaut würden. Je größer die Anlagen sind, desto mehr Entwicklungszeit brauchen sie und desto länger dauert der gesamte Entwicklungsprozess.
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