Pyrofusion

Unter Pyrofusion versteht man die Möglichkeit, Kernfusion mit Hilfe eines pyroelektrischen Kristalls „auf dem Labortisch“ zu erreichen. Eine Arbeit über pyroelektrisch induzierte Kernverschmelzungen, die Seth Putterman zusammen mit seinen Mitarbeitern Brian Naranjo und Jim Gimzewski in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ letztes Jahr veröffentlichte, fand in der Fachwelt große Beachtung. Die Arbeitsgruppe stellt darin eine einfach zu handhabende, kleine Apparatur vor, die Verschmelzungen von Deuteriumkernen ermöglicht. Um Deuteriumatome zu ionisieren und anschließend auf die für die Fusion benötigte Geschwindigkeit zu beschleunigen, benutzten die Forscher einen pyroelektrischen Kristall als Spannungsquelle. Derartige Kristalle waren schon im alten Griechenland bekannt. Der Philosoph Theophrastus beschrieb 314 v. Chr., dass die Minerale der Turmalingruppe (Aluminium-Bor-Silikate) sich elektrisch aufladen, wenn man sie erhitzt. Pyroelektrische Kristalle besitzen elektrische Dipolmomente, die sich bei Änderungen der Temperatur umorientieren und so eine elektrische Spannung zwischen den beiden Grundflächen des Kristalls aufbauen. Dass mit einem solchen Kristall eine Art Minibeschleuniger für Elektronen realisiert werden kann, ist bereits bekannt.

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Putterman und seine Mitarbeiter wandten das Beschleunigungsprinzip nun auf Deuterium an. Der im Experiment genutzte, nur zentimetergroße Kristall aus Lithiumtantalat (LiTaO₃) erreichte beim Erwärmen Spannungen von mehr als 100 kV. An der auf der positiven Seite des Kristalls angebrachten, winzigen Wolframspitze konzentrierte sich dann eine elektrische Feldstärken von über 25 GV/m. Befindet sich die Spitze in einem mit Deuteriumgas gefüllten Behälter, werden die vor der Spitze befindlichen Atome ionisiert (Feldionisation). Die Deuterium-Ionen werden dann von der Wolframspitze abgestoßen und zu einem 10 cm entfernten, deuteriumhaltigen Target (Erbiumdeuterid ErD₂) hin beschleunigt. Beim Aufprall kommt es zu einzelnen Kernverschmelzungen, es lassen sich Neutronen mit einer Energie von 2,45 MeV sowie Röntgenstrahlung nachweisen. Mit einer Ausbeute von knapp 1000 Neutronen pro Sekunde und einer Energieausbeute von etwa 10-8 J pro Erhitzungszyklus kann die Apparatur zwar nicht zur Energieerzeugung genutzt werden, als handliche Neutronenquelle beispielsweise für Sicherheits- oder Materialuntersuchungen ist das Gerät jedoch geeignet. Eine wesentlich höhere Ausbeute an Neutronen mit einer Energie von 14 MeV ist beim Beschuss von Tritium zu erwarten.

Literatur

• B. Naranjo et al., Nature 434, 1115 (2005);
• J. Geuther et al., J.Appl.Phys. 95, 074109 (2005);
• G. Brumfiel, Nature 437, 1224 (2005);
• H. Dittmar-Ilgen, Naturwissenschaftliche Rundschau 9, 484 (2006);
• S. Putterman, J. Gimzewski, B. Naranjo: Method for the production of high electric fields for pyrofusion, Weltpatent WO002006113783A1 (18.04.2006);