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Polarisierte Kernfusion

Dass die Energieausbeute eines Fusionsreaktors für die DT- oder D3He-Reaktion deutlich erhöht werden kann, wenn der Treibstoff zuvor polarisiert wurde, ist seit rund 50 Jahren bekannt. Doch bevor diese Möglichkeit genutzt wird, müssen noch viele Fragen geklärt werden.

Die totalen Wirkungsquerschnitte der Fusionsreaktionen d + t -> 4He + n und d + 3He -> 4He + p, die in Fusionsreaktoren zur Energiegewinnung genutzt werden können, hängen sehr stark von der Polarisation der beteiligten Teilchen ab. Beide Reaktionen laufen hauptsächlich durch eine J=3/2+Resonanz, die stark s-Wellen dominiert ist. D.h. fusionieren ein Deuteron und ein Triton entsteht für einen kurzen Augenblick ein 5He Kern, der nach kurzer Zeit wieder zerfällt. Dieser instabile 5He Kern hat einen Kernspin von S=3/2, sodass eine Kernfusion nur ablaufen kann, wenn die Spins der beteiligten Teilchen (S=1 beim Deuteron und S=1/2 beim Triton) sich zu 3/2 kombinieren lassen. Sind die beiden Spins antiparallel ausgerichtet findet praktisch keine Kernfusion statt. Wären die Spins der beiden Teilchen schon zu Beginn parallel ausgerichtet, der Treibstoff also polarisiert, würde die Reaktionswahrscheinlichkeit um einen Faktor 1.5 ansteigen. Außerdem könnte durch die Polarisation der Teilchen der differentielle Wirkungsquerschnitt beeinflusst werden, also die Flugrichtung der produzierten Teilchen, besonders der Neutronen, kann so kontrolliert werden. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten für die technische Umsetzung der Kernfusion in einem Reaktor, was zusätzlich den Bau eines Fusionskraftwerkes erleichtern und die Kosten senken würde.

Doch bevor es zu einer technischen Anwendung von „polarisiertem Treibstoff“ in der Energieerzeugung durch Kernfusion kommen kann, müssen mindestens drei Fragen geklärt sein:

1. Wie stellt man ausreichende Mengen polarisierten Treibstoffs her?

Hier werden im IKP verschiedene Ansätze verfolgt, die auch zur Erzeugung polarisierter Ionenstrahlen oder polarisierter Targets für Teilchenbeschleuniger interessant sind. Eine Möglichkeit ist z.B. die Erzeugung und Lagerung polarisierter Moleküle, die durch die Rekombination von polarisierten Deuterium-Atomen aus einer Atomstrahlquelle gewonnen werden. In einer Kollaboration mit dem Peter-Grünberg-Institut, der Universität Düsseldorf und dem Budger Institut in Novosibirsk soll zudem die Möglichkeit einer polarisierten Quelle für H2/D2-Moleküle nach dem Vorbild des Stern-Gerlach-Experiments getestet werden (DFG Project BU 2227/1-1). Aber auch die im IKP vorangetriebene Entwicklung von polarisierten Ionenstrahlen könnte hilfreich sein, da das Plasma in verschiedenen Fusionsreaktoren direkt mit hochenergetischen Ionen erzeugt und weiter geheizt wird.

2. Bleibt die Polarisation der Atomkerne überhaupt im Fusionsplasma erhalten?

Diese Frage ist natürlich entscheidend für die mögliche Nutzung der Kernspin-Polarisation. Sollte die Lebensdauer der Polarisation kürzer sein als die Zeit, die ein Kern durchschnittlich bis zur Fusion braucht, würde polarisierter Treibstoff keinen nennenswerten Effekt auf die Fusionsrate und damit auf die Energieausbeute haben. Auch diese Frage wird bereits seit den 80’ Jahren diskutiert, aber bisher wurden keine entsprechende Experimente, für die wiederum polarisierter Treibstoff notwendig ist, durchgeführt. Hinzu kommt, dass diese Frage für jede Art von Fusionsreaktor separat geklärt werden muss, da z.B. die Anzahl der depolarisierenden Wandstöße oder die Dichte des Plasmas großen Einfluss haben können. Ein erstes Experiment mit polarisiertem HD-Eis und 3He ist derzeit für den DIII Tokomak in San Diego angedacht.

Neben den Fusionskonzepten mit „magnetischen Einschluss“ des Plasmas, also Tokomak und Stellerator, gibt es auch andere Ideen wie z.B. die Laser-induzierte Kernfusion. Wieder stellt sich die Frage, ob die Kernspin-Polarisation die extremen magnetischen und elektrischen Felder des Lasers überleben kann. Hier ist das IKP mit dem Peter-Grünberg-Institut an ersten Messungen am PHELIX-Laser in Darmstadt beteiligt, bei denen aus polarisierten 3He-Atomen mittels Laser-Beschleunigung polarisierte 3He2+-Ionen hergestellt werden sollen. Sollte dies gelingen ist gleichzeitig die Polarisationserhaltung im Laser-induzierten Plasma gezeigt. Weitere Experimente dieser Art, z.B. mit polarisiertem HD-Eis als Ersatz für das radioaktive TD, wären zukünftig im Rahmen des JuSPARC-Projekt möglich.

3. Was passiert, wenn nur polarisiertes Deuterium zur Fusion verwendet wird?

In allen Forschungsanlagen zur Kernfusion wird normalerweise der Einsatz von radioaktiven Tritium weitgehend vermieden und bestenfalls die DD-Fusionsreaktionen (d + d → 3He + n oder d + d → t + p) verwendet. Aber bei diesen Reaktionen ist bisher nicht bekannt, wie der Kernspin die Reaktionsraten beeinflusst. Die theoretischen Vorhersagen für den Fall, dass beide Spins parallel ausgerichtete sind, decken einen Bereich ab, der zwischen einer Unterdrückung der Fusionsreaktion d + d -> 3He + n um einen Faktor 10 bis zu einer Erhöhung der Reaktion d + d -> t + p um das 2.5 fache im Energiebereich eines Fusionsreaktors reichen. Mit einer Messung dieses sogenannten „Quintet Suppression Factors“ könnte man die Vorhersagen der verschiedenen Modellvorstellungen testen und nachprüfen, welche Spin-Kombination letztendlich die Reaktionsrate steigern würde, bzw. helfen könnte, die Neutronenproduktion zu unterdrücken.

Quintet Supression Factor

Obiges Bild zeigt die verschiedenen Vorhersagen für den "Qunitet-Suppression Factor", d.h. die Änderungen der totalen Wirkungsquerschnitte als Funktion der Energie, wenn die Spins der Deuteronen parallel zum angelegten Magnetfeld ausgerichtet sind.

Deuteron SourcePolarized Deuteron Source

Das entsprechende Experiment wird derzeit vom St. Petersburg Nuclear Physics Institut (PNPI) in Gatchina, Russland, mit Hilfe der Universitäten Köln und Groningen, Niederlande, und in Kollaboration mit der Universität Ferrara, Italien, und dem IKP in Jülich aufgebaut. Erste Messergebnisse werden für 2018 erwartet.

Zusatzinformationen

Lokale Ansprechpartner im IKP-2:

Dr. Ralf Engels


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