12.08.2016 - Forschungszentrum Jülich GmbH

Polarisiertes Deuterium bringt Kernfusion auf Trab

Polarisiertes Deuterium kann die Reaktionsrate in zukünftigen Fusionsreaktoren deutlich verbessern. Physiker rund um Prof. Markus Büscher vom Jülicher Peter Grünberg Institut und vom Institut für Laser- und Plasmaphysik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf werden mit Kollegen vom russischen Budker-Institut eine neue Quelle für polarisierte Deuterium-Moleküle entwickeln. Das Projekt wird gemeinsam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Russian Science Foundation (RSF) in den nächsten drei Jahren mit insgesamt mehr als 500.000 Euro gefördert. Auf Jülicher Seite sind auch das Institut für Kernphysik sowie das Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik Projektpartner.

In Fusionsexperimenten sollen die Atomkerne der beiden Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium zu Heliumkernen verschmolzen werden, um dabei große Mengen Energie zu gewinnen. Diese Fusion findet unter extremen Bedingungen statt, die nur unter größtem Aufwand erzeugt werden können.

Die Physiker aus Jülich, Düsseldorf und vom Budker-Institut in Novosibirsk wollen gemeinsam eine Anlage mit einer neuen Strahlquelle entwickeln, mit der die Wahrscheinlichkeit und damit die Reaktionsrate für diese Fusionsprozesse deutlich erhöht werden kann.

Jeder Atomkern hat einen sogenannten Spin, der bei jedem der beiden Wasserstoff-Isotope zwar die gleiche Größe hat, aber – vereinfacht gesprochen – in unterschiedliche Richtungen weist. Bei einem "spinpolarisierten" Teilchenstrahl weisen diese Kernspins alle in dieselbe Richtung. Solchermaßen ausgewählte Kerne sind für Fusionsexperimente besonders interessant, da mit ihnen die Verschmelzungsrate deutlich erhöht werden kann. Damit steigt die Energieausbeute erheblich.

Die Wissenschaftler wollen nun in den nächsten Jahren eine Strahlquelle für polarisiertes Deuterium aufbauen. Dabei gehen die Physiker einen neuen Weg: Sie starten mit unpolarisiertem Deuteriumgas, in dem die Spins der Teilchen also in verschiedene Richtungen weisen. Durchläuft der unpolarisierte Deuteriumstrahl ein Magnetfeld, wird er entsprechend der Spineinstellung der einzelnen Deuteriummoleküle räumlich aufgespalten, so dass Moleküle mit dem gewünschten Spin direkt abgegriffen werden können.

Die Expertise beim Aufbau der Trennapparatur, die mit supraleitenden Magneten arbeitet, liegt bei den russischen Projektpartnern am Budker-Institut. In Jülich wird ein spezielles "Lamb-Shift-Polarimeter" aufgebaut, mit dem sich die Kernpolarisation sehr genau messen lässt, um die neue Strahlquelle im Hinblick auf hohe Polarisationsausbeute zu optimieren. Das Forschungszentrum Jülich hat bereits vier dieser Polarimeter gebaut und ist somit weltweit führend in dieser Technologie. An der HHU wird die Quelle schließlich in Laser-Experimenten eingesetzt, die später am Forschungszentrum in dem Zukunftsprojekt einer Kurzpulslaser-Anlage (JuSPARC) fortgeführt werden sollen.

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