Kernfusion mit neuem Brennstoff vermeidet unerwünschte Neutronen

Noch immer besteht Hoffnung, dass Fusionsreaktoren in einigen Jahrzehnten enorme Strommengen über die Verschmelzung von Atomkernen produzieren könnten. Doch auch bei der Kernfusion werden schnelle Neutronen freigesetzt, die in der Reaktionskammer radioaktive Isotope erzeugen. Physiker um Christine Labaune von der École Polytechnique in Palaiseau bei Paris berichten nun in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ über eine Lösung dieses Problems. Sie untersuchten die von Lasern initiierte Fusion von Borkernen mit Protonen, bei der bevorzugt Helium- und Berylliumkerne entstanden und keine unerwünschten schnellen Neutronen.

„Im Fall der Fusion von Protonen mit Bor-11-Kernen wird die Energie vor allem über geladene Alphateilchen und weniger über Neutronen freigesetzt“, erklären Christine Labaune und ihre Kollegen. Damit unterscheidet sich diese Kernfusion wesentlich von der bisher favorisierten Verschmelzung der schweren Wasserstoffkerne Deuterium und Tritium, bei der neben einem Alphateilchen jeweils ein energiereiches Neutron freigesetzt wird. Dieser Vorteil bestätigte sich nun in einem Fusionsexperiment, bei dem beschleunigte Protonen auf ein Plasma aus Borkernen trafen.

Laborraum, in der Mitte eine dickwandige Fusionskammer, in der Bor-Kerne mit Protonen verschmelzen.
Fusionskammer mit zwei Lasern

Für diese neutronenfreie Kernfusion waren Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius notwendig. Dazu hatten die Forscher mit intensiven, einigen Nanosekunden langen Laserpulsen ein Plasma aus Borkernen erzeugt. Auf dieses trafen weitere, deutlich kürzere Laserpulse mit stark beschleunigten Protonen. Bei ungefähr einem von 300 bis 3000 Protonen kam es zur Fusion mit einem Borkern. Dabei entstanden Berylliumkerne und Alphateilchen, die die Forscher mit empfindlichen Detektoren nachweisen konnten. Dagegen fehlten Neutronen, die bei anderen Fusionsprozessen freigesetzt werden und beim Auftreffen auf die Hülle der Reaktionskammer zur Bildung von radioaktiven Isotopen führen.

Einen weiteren Vorteil sehen die Wissenschaftler in der hohen Verfügbarkeit von Bor im Vergleich zum aufwendig isolierten Tritium. Von einem Fusionsreaktor ohne Neutronenemission sind diese Laserexperimente allerdings noch weit entfernt. Noch muss diesem Fusionsprozess deutlich mehr Energie zugefügt werden als potenziell gewonnen werden könnte. Doch bietet die Bor-Proton-Fusion wegen der geringen radioaktiven Kontamination eine Alternative für zukünftige Fusionsreaktoren.