Laserfusionsreaktor nähert sich ‚brennendem Plasma‘ Meilenstein
In der Zielkammer der National Ignition Facility werden 192 Laserstrahlen auf Pellets von Fusionsbrennstoff von der Größe von Pfefferkörnern fokussiert.
Lawrence Livermore Nationales Laboratorium
Im Oktober 2010, in einem Gebäude von der Größe von drei US-. fußballfelder, Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory betrieben 192 Laserstrahlen, konzentrierten ihre Energie in einen Puls mit dem Schlag eines rasenden Lastwagens und feuerten ihn auf ein Pellet aus Kernbrennstoff von der Größe eines Pfefferkorns. So begann eine Kampagne der National Ignition Facility (NIF), um das Ziel zu erreichen, nach dem sie benannt ist: eine Fusionsreaktion zu zünden, die mehr Energie erzeugt, als der Laser eingibt.
Ein Jahrzehnt und fast 3000 Schüsse später erzeugt NIF immer noch mehr Fizz als Bang, behindert durch das komplexe, schlecht verstandene Verhalten der Laserziele, wenn sie verdampfen und implodieren. Aber mit neuen Zieldesigns und Laserimpulsformen sowie besseren Werkzeugen zur Überwachung der Miniaturexplosionen glauben die NIF-Forscher, dass sie einem wichtigen Zwischenmeilenstein nahe stehen, der als „brennendes Plasma“ bekannt ist: ein Fusionsbrand, der eher durch die Wärme der Reaktion selbst als durch die Eingabe von Laserenergie aufrechterhalten wird.
Eigenerwärmung ist der Schlüssel, um den gesamten Brennstoff zu verbrennen und einen außer Kontrolle geratenen Energiegewinn zu erzielen. Sobald NIF die Schwelle erreicht, deuten Simulationen darauf hin, dass es einen einfacheren Weg zur Zündung geben wird, sagt Mark Herrmann, der Livermores Fusionsprogramm überwacht. „Wir pushen so hart wir können“, sagt er. „Man spürt die Beschleunigung in unserem Verständnis.“ Auch Außenstehende sind beeindruckt. „Man hat das Gefühl, dass es stetige Fortschritte und weniger Rätselraten gibt“, sagt Steven Rose, Co-Direktor des Centre for Inertial Fusion Studies am Imperial College London. „Sie entfernen sich von Designs, die traditionell gehalten werden, und probieren neue Dinge aus.“
NIF hat jedoch möglicherweise nicht den Luxus der Zeit. Der Anteil der NIF-Schüsse, die für die Zündbemühungen aufgewendet wurden, wurde von einem Höchststand von fast 60% im Jahr 2012 auf heute weniger als 30% gesenkt, um mehr Schüsse für die Lagerverwaltung zu reservieren — Experimente, die nukleare Detonationen simulieren, um die Zuverlässigkeit von Sprengköpfen zu überprüfen. Budgetanträge des Präsidenten In den letzten Jahren haben wiederholt versucht, die Forschung zur Trägheitsfusion bei NIF und anderswo zu kürzen, nur um den Kongress dazu zu bringen, sie zu bewahren. Der Geldgeber von NIF, die National Nuclear Security Administration (NNSA), überprüft zum ersten Mal seit 5 Jahren den Fortschritt der Maschine. Unter dem Druck, das Atomarsenal zu modernisieren, könnte die Agentur eine weitere Verlagerung in Richtung Lagerverwaltung beschließen. „Wird das Zündprogramm herausgedrückt?“ fragt Mike Dunne, der Livermores Fusionsenergie-Bemühungen von 2010 bis 2014 leitete. „Die Jury ist raus.“
Die Kernfusion gilt seit langem als kohlenstofffreie Energiequelle, die von leicht verfügbaren Wasserstoffisotopen angetrieben wird und keine langlebigen radioaktiven Abfälle produziert. Aber es bleibt ein ferner Traum, auch für die langsam brennenden, donutförmigen magnetischen Öfen wie das ITER-Projekt in Frankreich, das irgendwann nach 2035 einen Energiegewinn erzielen soll.
NIF und andere Trägheitsfusionsvorrichtungen wären weniger wie ein Ofen als vielmehr wie ein Verbrennungsmotor, der Energie durch Schnellfeuerexplosionen der winzigen Brennstoffpellets erzeugt. Während einige Fusionslaser ihre Strahlen direkt auf die Pellets richten, sind die Schüsse von NIF indirekt: Die Strahlen erhitzen eine Golddose von der Größe eines Radiergummis, den Hohlraum, der einen Röntgenstrahlenpuls aussendet, der die Fusion entzünden soll, indem die Brennstoffkapsel in ihrem Zentrum auf zig Millionen Grad erhitzt und auf Milliarden von Atmosphären komprimiert wird.
Aber Schüsse in den ersten 3 Jahren der Zündkampagne ergaben jeweils nur etwa 1 Kilojoule (kJ) Energie, weniger als die 21 kJ, die durch den Röntgenpuls in die Kapsel gepumpt wurden, und weit weniger als die 1,8 Megajoule (MJ) im ursprünglichen Laserpuls. Siegfried Glenzer, der die erste Kampagne leitete, sagt, das Team sei „zu ehrgeizig“ gewesen, Ziele zu erreichen. „Wir waren zu sehr auf Simulationen angewiesen“, sagt Glenzer, der jetzt am SLAC National Accelerator Laboratory arbeitet.
Nach der fehlgeschlagenen Zündkampagne haben die NIF-Forscher ihre Diagnoseinstrumente aufgepeppt. Sie fügten weitere Neutronendetektoren hinzu, um ihnen eine 3D-Ansicht zu geben, wo die Fusionsreaktionen stattfanden. Sie passten auch vier ihrer Laserstrahlen an, um kurz nach der Implosion ultrakurze Impulse mit hoher Leistung zu erzeugen, um dünne Drähte in der Nähe des Ziels zu verdampfen. Die Drähte wirken wie eine Röntgenblitzlampe, die den Brennstoff beim Komprimieren untersuchen kann. „Es ist wie ein CAT-Scan“, sagt Planetenwissenschaftler Raymond Jeanloz von der University of California, Berkeley, der NIF verwendet, um den Druck im Kern von Riesenplaneten wie Jupiter zu replizieren. (Etwa 10% der NIF-Aufnahmen sind der Grundlagenforschung gewidmet.)
Mit ihrer schärferen Sicht haben Forscher Energielecks aus dem implodierenden Brennstoffpellet aufgespürt. Einer kam an den Punkt, an dem ein winziges Röhrchen vor dem Schuss Kraftstoff in die Kapsel injizierte. Um das Leck zu stopfen, machte das Team das Rohr noch dünner. Andere Lecks wurden auf die Kunststoffschale der Kapsel zurückgeführt, so dass die Forscher die Herstellung überarbeiteten, um Unvollkommenheiten von nur einem Millionstel Meter auszugleichen. Die verbesserte Diagnostik „hilft den Wissenschaftlern wirklich zu verstehen, welche Verbesserungen erforderlich sind“, sagt Mingsheng Wei vom Labor für Laserenergetik der Universität Rochester.
Feuer durch Versuch
Die National Ignition Facility hat die Fusionszündung eingestellt — sie holt mehr Energie heraus, als hineingeht —, indem sie ihre Laserpulse und Ziele verändert. Es ist noch näher an den Temperaturen und Drücken, die für ein Zwischenziel benötigt werden: ein sich selbst erwärmendes „brennendes Plasma.“
Das Team hat auch mit der Form der 20-Nanosekunden-Laserpulse gespielt. Frühe Schüsse stiegen langsam an, um zu vermeiden, dass der Kraftstoff zu schnell erhitzt und das Komprimieren erschwert wird. Spätere Impulse stiegen aggressiver an, so dass die Kunststoffkapsel während der Kompression weniger Zeit hatte, sich mit dem Kraftstoff zu vermischen, eine Taktik, die die Erträge etwas steigerte.
In der aktuellen Kampagne, die 2017 begonnen hat, erhöhen Forscher die Temperaturen, indem sie den Hohlraum und die Kapsel um bis zu 20% vergrößern und die Röntgenenergie erhöhen, die die Kapsel absorbieren kann. Um den Druck zu erhöhen, verlängern sie die Dauer des Impulses und wechseln von Kunststoffkapseln zu dichteren Diamantkapseln, um den Kraftstoff effizienter zu komprimieren.
NIF hat wiederholt Ausbeuten von annähernd 60 kJ erreicht. Herrmann sagt jedoch, dass ein kürzlich veröffentlichter Schuss, der Anfang dieses Monats auf der Tagung der Abteilung für Plasmaphysik der American Physical Society diskutiert wurde, dies übertroffen hat. Wiederholungsschüsse sind geplant, um zu messen, wie nahe sie einem brennenden Plasma gekommen sind, das voraussichtlich um 100 kJ auftreten wird. „Es ist ziemlich aufregend“, sagt er.
Selbst bei maximaler Kompression glauben die NIF-Forscher, dass nur das Zentrum des Kraftstoffs heiß genug ist, um zu verschmelzen. Aber in einem ermutigenden Befund sehen sie Beweise dafür, dass der Hot Spot einen Heizschub von sich frenetisch bewegenden Heliumkernen oder Alphateilchen erhält, die durch die Fusionsreaktionen erzeugt werden. Wenn NIF nur ein bisschen mehr Energie einpumpen kann, sollte es eine Welle auslösen, die aus dem Hot Spot rast und dabei Kraftstoff verbrennt.
Herrmann sagt, dass das Team noch ein paar Tricks ausprobieren muss — von denen jeder Temperaturen und Drücke auf ein Niveau bringen könnte, das hoch genug ist, um brennendes Plasma und Zündung aufrechtzuerhalten. Sie testen verschiedene Hohlraumformen, um die Energie besser auf die Kapsel zu fokussieren. Sie experimentieren mit doppelwandigen Kapseln, die Röntgenenergie effizienter einfangen und übertragen könnten. Und indem sie den Brennstoff in einen Schaum in der Kapsel einweichen, anstatt ihn als Eis an den Kapselwänden einzufrieren, hoffen sie, einen besseren zentralen Hotspot zu bilden.
Reicht das aus, um die Zündung zu erreichen? Wenn diese Schritte nicht ausreichen, wäre die Steigerung der Laserenergie die nächste Option. NIF-Forscher haben Upgrades an vier der Strahllinien getestet und es geschafft, einen Energieschub zu erzielen, der, wenn die Upgrades auf alle Strahlen angewendet würden, die gesamte Anlage in die Nähe von 3 MJ bringen würde.
Diese Upgrades würden natürlich Zeit und Geld kosten, die NIF möglicherweise nicht erhält. Fusionswissenschaftler am NIF und anderswo warten gespannt auf die Schlussfolgerungen der NNSA-Überprüfung. „Wie weit können wir kommen?“ Herrmann fragt. „Ich bin ein Optimist. Wir werden NIF so weit wie möglich pushen.“