Der Zündungsmeilenstein der National Ignition Facility löst einen neuen Schub für die Laserfusion aus

Seit weit über einem Jahrzehnt arbeiten Physiker an der Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien haben versucht, im Labor etwas zu tun, was bisher nur in den Sprengköpfen von Wasserstoffbomben passiert ist. Ihr Ziel war es, intensive Lichtimpulse des größten Lasers der Welt zu nutzen – der 3.5 Milliarden Dollar wert ist National Ignition Facility (NIF) – um winzige Kapseln aus Wasserstoffbrennstoff so zu zerkleinern, dass die darin erzeugten außergewöhnlichen Temperaturen und Drücke energieerzeugende Fusionsreaktionen hervorrufen. Bis Ende letzten Jahres hatte eine Reihe technischer Rückschläge sie daran gehindert, ihr Ziel, die Zündung, zu erreichen. Aber kurz nach 1 Uhr morgens am 5. Dezember ein größerer Neutronenausbruch als gewöhnlich in den Detektoren, die den Fokus des Lasers umgeben Erfolg signalisiert – Die Reaktionen haben in diesem Fall mehr als das 1.5-fache der verbrauchten Energie erzeugt.

Das Kunststück sorgte weltweit für Schlagzeilen und regte die Fantasie der Öffentlichkeit, Politiker und Fusionsexperten gleichermaßen an. US-Energieministerin Jennifer Granholm lobte die „bahnbrechende Errungenschaft“ dabei Michael Campbell von der Universität Rochester in den USA bezeichnete das Ergebnis als „Wright Brothers Moment“ für die Fusionsforschung. Für Steven Rose vom Imperial College London, beseitigt die Ankündigung jeden noch bestehenden Zweifel, dass solch hohe Fusionsenergien erreichbar sind. „Wenn Sie keinen Energiegewinn von mehr als eins erzielen, könnten die Leute behaupten, Sie könnten das nie erreichen“, sagt er.

Das Ergebnis erneuerte den Optimismus, dass die Kernfusion endlich eine neue Quelle sauberer, sicherer und nachhaltiger Energie ermöglichen könnte. Jetzt wollen Regierungen und vor allem private Unternehmen das enorme Potenzial der Fusionsenergie ausschöpfen – einige Firmen versprechen sogar, dass sie Anfang des nächsten Jahrzehnts Strom aus Pilotkraftwerken ins Netz einspeisen werden.

Einige Wissenschaftler meinen jedoch, dass solche Zeitskalen angesichts der enormen technischen Hürden, die auf dem Weg zur Fusionsenergie verbleiben, unrealistisch sind. Andere behaupten, dass ein Zeithorizont von 10 bis 15 Jahren machbar ist, solange Forscher und ihre Geldgeber die richtige Denkweise annehmen. Für Troy Carter an der University of California in Los Angeles, bedeutet dies, die Abhängigkeit von großen, teuren, zentralisierten Einrichtungen wie dem NIF in der Größe eines Fußballstadions zu beenden und sich stattdessen kleineren, billigeren Projekten zuzuwenden, die vom risikotoleranteren Privatsektor geführt werden. „Wir müssen die Art und Weise ändern, wie wir Geschäfte machen“, sagt er.

Endlich am Ziel

Um die Energie zu nutzen, die beim Verschmelzen leichter Kerne freigesetzt wird, muss der Kernbrennstoff in Form eines Plasmas auf Temperaturen von etwa 100 Millionen Kelvin gehalten werden. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, das Plasma für längere Zeit in einem Magnetfeld einzuschließen, während es mit Radiowellen oder Teilchenstrahlen erhitzt wird. Bisher war ein solcher „magnetischer Einschluss“ der bevorzugte Weg der Physiker zur Fusionsenergie. Dies wird sowohl in den teuersten öffentlichen als auch in den privaten Reaktoren der Welt genutzt: dem $20+ Mrd ITER im Bau befindliche Anlage in Südfrankreich und eine vom Unternehmen gebaute Maschine Commonwealth-Fusionssysteme außerhalb von Boston, USA, das bisher mindestens 2 Mrd. USD an Finanzmitteln aufgebracht hat.

Anstatt zu versuchen, einen stationären Zustand zu erreichen, arbeiten „Trägheitseinschluss“-Reaktoren eher wie ein Verbrennungsmotor – sie erzeugen Energie durch einen sich wiederholenden Zyklus von Explosionen, die flüchtig enorme Temperaturen und Drücke erzeugen. NIF tut dies, indem es 192 Laserstrahlen verstärkt und auf einen winzigen hohlen Metallzylinder fokussiert, in dessen Mitte sich eine pfefferkorngroße Kapsel befindet, die die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium enthält. Röntgenstrahlen, die von den Wänden des Zylinders erzeugt werden, sprengen die äußere Oberfläche der Kapsel, drücken den Rest dank der Impulserhaltung nach innen und bringen die darin enthaltenen Deuterium- und Tritiumkerne zum Verschmelzen – wobei Alphateilchen (Heliumkerne) freigesetzt werden ), Neutronen und jede Menge Energie.

Dieser Prozess ist äußerst anspruchsvoll und erfordert eine außergewöhnlich präzise Strahlfokussierung und ultraglatte Kapseln, um die für die Fusion erforderlichen nahezu perfekt symmetrischen Implosionen zu gewährleisten. Tatsächlich führten unter anderem Instabilitäten im Plasma, die durch die Implosionen und Defekte in den Kapseln erzeugt wurden, dazu, dass die Livermore-Forscher ihr ursprüngliches Zündziel (oder „Breakeven“) bis 2012 weit verfehlten. Aber durch eine Reihe akribischer Messungen Bei aufeinanderfolgenden Laserschüssen konnten sie ihren experimentellen Aufbau schrittweise verfeinern und schließlich den historischen Schuss abfeuern – der 3.15 Millionen Joule (MJ) Fusionsenergie lieferte, nachdem 2.05 MJ Laserenergie an das Ziel abgegeben worden waren.

Omar Hurricane, Chefwissenschaftler des Trägheitsfusionsprogramms von Livermore, sagt, dass sie jetzt planen, ihre Arbeit „neu zu priorisieren“, um höhere, reproduzierbare Gewinne zu erzielen, indem sie die Laserenergie von NIF in Schritten von etwa 0.2 MJ erhöhen. Sie beabsichtigen auch, den Effekt einer Variation der Dicke des Kernbrennstoffs in den Kapseln und einer Verringerung der Größe der Lasereintrittslöcher des Zylinders zu untersuchen. Er weist jedoch darauf hin, dass NIF nie dafür ausgelegt war, praktische Fusionsenergie zu demonstrieren – da der Hauptzweck der Einrichtung darin besteht, experimentelle Daten zur Unterstützung des US-amerikanischen (nicht mehr getesteten) Vorrats an Atomwaffen bereitzustellen. Daher ist NIF äußerst ineffizient – ​​sein blitzlampengepumpter 2-MJ-Laser benötigt etwa 400 MJ an elektrischer Energie, was einem „Wandsteckdosen“-Wirkungsgrad von nur 0.5 % entspricht.

Die National Ignition Facility demonstriert weltweit erstmals einen Nettogewinn an Fusionsenergie

Riccardo Betti von der Universität Rochester sagt, dass moderne diodengepumpte Laser Wirkungsgrade von bis zu 20 % erreichen könnten, weist jedoch darauf hin, dass die für Kraftwerke erforderlichen Margen (einschließlich Energieverluste bei der Umwandlung von Wärme in Strom) bedeuten, dass selbst diese Geräte Zielgewinne von „mindestens 50– 100“ (im Vergleich zu NIF 1.5). Sie müssen auch mehrmals pro Sekunde „feuern“, während NIF nur etwa einmal am Tag einen Schuss erzeugt. Diese hohe Wiederholungsrate würde massenproduzierte Targets erfordern, die höchstens ein paar zehn Cent kosten, verglichen mit den Hunderttausenden von Dollar, die für die bei NIF (die aus Gold und synthetischem Diamant hergestellt werden) benötigt werden.

Eintritt in den Markt

Ein Unternehmen, das glaubt, die Fusionsenergie trotz aller Hürden kommerzialisieren zu können, ist eine in Kalifornien ansässige Firma Longview-Fusionsenergiesysteme. Longview wurde 2021 von mehreren ehemaligen Livermore-Wissenschaftlern, darunter dem ehemaligen NIF-Direktor Edward Moses, gegründet und zielt darauf ab, das Target-Design des NIF mit diodengepumpten Festkörperlasern zu kombinieren. Das Unternehmen gab seine Existenz am selben Tag bekannt, an dem Livermore den Rekordschuss von NIF meldete, und sagte, dass es plane, innerhalb der nächsten fünf Jahre mit dem Bau eines Pilotkraftwerks zu beginnen.

Bis spätestens 50 will Longview 2035 MW Strom ins Netz einspeisen. Das Unternehmen räumt ein, dass dies nicht einfach sein wird, und sieht eine Lasereffizienz und Wiederholrate von 18 % bzw. 10–20 Hz vor. Insbesondere heißt es, dass die erforderlichen Dioden zwar bereits existieren, aber „noch nicht in eine integrierte Strahlführung für einen Fusionslaser gepackt wurden“. Es bleibt jedoch zuversichtlich, dass es seine Frist einhalten kann, da der Laser innerhalb eines Faktors von zwei der für die Pilotanlage erforderlichen optischen Schadensschwelle liegt.

Nicht alle sind überzeugt. Stephen Bodner, früherer Leiter des Laserfusionsprogramms am US Naval Research Laboratory in Washington DC, behauptet, dass die „indirekt angetriebene“ Technologie von NIF zu viel Energie verschwendet, um Röntgenstrahlen zu erzeugen (anstatt Treibstoffkapseln direkt zu beleuchten). Er ist auch skeptisch gegenüber der Behauptung von Longview, dass es die Target-Kosten auf unter 0.30 $ senken kann, indem es die beträchtlichen Engineering- und Kapitalausgaben auf die 500 Millionen Targets verteilt, die es für seine Pilotanlage benötigen wird. „Es gibt keine Möglichkeit für ein Fusionsziel wie das, das bei NIF verwendet wird, jemals genug für kommerzielle Fusionsenergie verbessert zu werden“, sagt er.

Der Laserfusions-Meilenstein der National Ignition Facility entfacht eine Debatte

Longview ist jedoch bei weitem nicht der einzige, der glaubt, dass es die Technologie zur Hand hat, um der Welt Fusionsenergie zu bringen. Ein Bericht, der letztes Jahr erstellt wurde von dem Verband der Fusionsindustrie Der Handelsverband listet 33 Unternehmen in den USA und anderswo auf, die an der Fusionstechnologie arbeiten – von denen viele auch aggressive Zeitpläne für die Entwicklung von Kraftwerken haben. Ein solches Unternehmen ist First Light, mit Sitz in der Nähe von Oxford, UK. Anstatt Laserpulse zum Komprimieren von Treibstoffkapseln zu verwenden, schießt First Light stattdessen materielle Projektile – briefmarkenförmige Metallstücke – mit extrem hohen Geschwindigkeiten unter Verwendung der elektromagnetischen Kraft, die von einer riesigen Bank von Kondensatoren bereitgestellt wird, die sich alle fast augenblicklich entladen. Die Projektile treffen auf speziell angefertigte Ziele, von denen jedes den Aufpralldruck auf eine darin eingebettete Brennstoffkapsel leitet und verstärkt.

Das Unternehmen hat bisher rund 80 Millionen Pfund an Finanzmitteln aufgebracht und die Fusion unter Verwendung der größten Pulsstromanlage in Europa demonstriert. Die nächsten Schritte werden laut Mitbegründer und Geschäftsführer Nicholas Hawker die Demonstration der Zündung mit einer viel größeren Maschine in etwa fünf Jahren und dann eine Pilotanlage „Anfang bis Mitte der 2030er Jahre“ sein. Hawker räumt ein, dass noch zahlreiche Herausforderungen bevorstehen – etwa die Fähigkeit, Projektile nacheinander zu laden und entsprechend robuste Hochspannungsschalter zu entwickeln –, aber er ist zuversichtlich, dass die Physik des Schemas solide ist. „Die Brennstoffkapsel ist genau die gleiche wie die von NIF, sodass das jüngste Ergebnis auch unser System massiv risikofrei macht.“ 

Bargeld benötigt

Wenn es um Physik geht, meint Betti, dass die Trägheitseinschlussfusion besser geeignet ist als der magnetische Einschluss. Während NIF nun gezeigt hat, dass erstere selbsterhaltende Reaktionen erzeugen können, argumentiert er, dass Instabilitäten, die nahe der Zündschwelle erzeugt werden, bedeuten, dass noch große Unsicherheiten darüber bestehen, ob Tokamaks nachziehen können. Dennoch müssen beide Fusionsformen gewaltige Hürden überwinden, wenn sie wirtschaftlich wettbewerbsfähige Energie liefern sollen – einschließlich des Nachweises hoher Gewinne aus massenproduzierten Targets, wenn es um Laserfusion geht. „Ich kann kaum glauben, dass ein Energiesystem in 10 Jahren fertig sein kann“, sagt er.

NIF-Wissenschaftler haben in den letzten zehn Jahren hervorragende Arbeit geleistet, indem sie einige sehr schwierige physikalische Probleme gelöst haben. Sie sollten für ihre großartige Arbeit anerkannt werden

Stefan Bodner

Carter ist optimistischer. Er behauptet, dass Pilotanlagen in etwa einem Jahrzehnt verwirklicht werden könnten, solange private Unternehmen bei ihrem Bau die Führung übernehmen, während die Regierungen grundlegendere Untermauerungsforschungen wie die zu strahlungsbeständigen Materialien unterstützen. Er warnt jedoch davor, dass die erforderlichen Mittel beträchtlich sein werden – etwa 500 Millionen Dollar pro Jahr zusätzlich im Fall der US-Regierung. Wenn das Geld kommt, fügt er hinzu, könnten kommerzielle Anlagen dann „früher als 2050“ in Betrieb gehen.

Welche Technologie in den Werken landen wird, betont Bodner, sie basiere nicht auf indirektem Antrieb. Höchstwahrscheinlich, so behauptet er, wird es sich um einen Trägheitseinschluss handeln, der auf einer anderen Art von Lasersystemen wie Argon-Fluorid-Gaslasern basiert. Er räumt jedoch ein, dass die Skalierung jedes Systems Unsicherheiten mit sich bringt. Und er lobt NIF-Wissenschaftler dafür, dass sie die Fusionsforschung an diesen Punkt gebracht haben. „Sie haben in den letzten zehn Jahren hervorragende Arbeit geleistet und einige sehr schwierige physikalische Probleme gelöst“, sagt er. „Sie sollten für ihre großartige Arbeit anerkannt werden.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/