Der Laserfusions-Meilenstein der National Ignition Facility entfacht eine Debatte

Am 8. August letzten Jahres führten Physiker des Lawrence Livermore National Laboratory in den USA mit dem größten Laser der Welt ein rekordverdächtiges Experiment durch. Einsatz der 192 Balken des 3.5 Milliarden US-Dollar teuren Projekts National Ignition Facility (NIF) eine pfefferkorngroße Kapsel mit Deuterium und Tritium implodieren ließ, ließen sie die beiden Wasserstoffisotope verschmelzen und erzeugten für den Bruchteil einer Sekunde eine selbsterhaltende Fusionsreaktion. Da der Prozess über 70 % der Energie freisetzt, die für den Betrieb des Lasers benötigt wird, deutet die Entdeckung darauf hin, dass Riesenlaser möglicherweise eine neue Quelle sicherer, sauberer und im Wesentlichen unbegrenzter Energie ermöglichen könnten.

Das Ergebnis versetzte die Forscher im Livermore-Labor in Feierlaune, nachdem sie mehr als ein Jahrzehnt lang darum gekämpft hatten, nennenswerte Fortschritte zu erzielen. Doch die anfängliche Aufregung ließ bald nach, als mehrere weitere Versuche, die Leistung zu reproduzieren, scheiterten und bestenfalls nur die Hälfte der rekordverdächtigen Leistung aufbrachten. Da das Livermore-Management beschlossen hatte, nur eine Handvoll Wiederholungsexperimente durchzuführen, stellte das Labor sein Streben nach der Gewinnschwelle auf Eis und versuchte stattdessen herauszufinden, was die Ursache für die Schwankungen in der Produktion war.

Für NIF-Kritiker kam die jüngste Kurskorrektur nicht überraschend und verdeutlicht offenbar einmal mehr, dass die Anlage als Testfeld für eine robuste Fusionsenergieproduktion ungeeignet ist. Doch viele Wissenschaftler bleiben optimistisch und die NIF-Forscher selbst haben gekämpft und kürzlich das Ergebnis ihres rekordverdächtigen Einschusses veröffentlicht Physical Review Letters (129 075001). Sie bestehen darauf, dass sie schließlich die „Zündung“ erreicht haben und den Punkt erreicht haben, an dem die Erwärmung durch die Fusionsreaktionen die Abkühlung überwiegt und eine positive Rückkopplungsschleife entsteht, die die Plasmatemperatur schnell erhöht.

Omar Hurricane, leitender Wissenschaftler des Fusionsprogramms von Livermore, behauptet, dass diese physikbasierte Definition der Zündung – und nicht die einfache Beschreibung der „Energie-Breakeven“ – diejenige ist, die wirklich zählt. Er bezeichnet das letztendliche Erreichen der Gewinnschwelle als „das nächste PR-Ereignis“, sagt jedoch, dass es ein wichtiger Meilenstein bleibe, den er und seine Kollegen erreichen wollen. Tatsächlich sind Physiker außerhalb des Livermore-Labors zuversichtlich, dass das viel diskutierte Ziel erreicht wird. Steven Rose am Imperial College im Vereinigten Königreich glaubt, dass „jede Aussicht besteht“, dass die Gewinnschwelle erreicht wird.

Rekordgewinn

Bei dem Versuch, die Fusion zu nutzen, wird ein Plasma aus leichten Kernen so weit erhitzt, dass diese Kerne ihre gegenseitige Abstoßung überwinden und sich zu einem schwereren Element verbinden. Dabei entstehen neue Teilchen – im Fall von Deuterium und Tritium Heliumkerne (Alphateilchen) und Neutronen – sowie große Energiemengen. Wenn das Plasma lange genug bei angemessen hohen Temperaturen und Drücken gehalten werden kann, sollten die Alphateilchen ausreichend Wärme liefern, um die Reaktionen selbst aufrechtzuerhalten, während die Neutronen möglicherweise abgefangen werden können, um eine Dampfturbine anzutreiben.

Fusions-Tokamaks nutzen Magnetfelder, um Plasmen über längere Zeiträume einzuschließen. Als „Inertial-Confinement“-Gerät nutzt NIF stattdessen die extremen Bedingungen aus, die für einen flüchtigen Moment in einer winzigen Menge hochkomprimierten Fusionsbrennstoffs entstehen, bevor dieser sich wieder ausdehnt. Der Brennstoff befindet sich in einer kugelförmigen Kapsel mit 2 mm Durchmesser, die sich in der Mitte eines etwa 1 cm langen zylindrischen „Hohlraums“ aus Metall befindet und implodiert, wenn die präzise gerichteten Laserstrahlen des NIF auf das Innere des Hohlraums treffen und eine Flut von erzeugen Röntgenstrahlen.

Im Gegensatz zu Tokamaks war NIF nicht in erster Linie zur Energiedemonstration konzipiert, sondern diente vielmehr als Kontrolle der Computerprogramme zur Simulation von Atomwaffenexplosionen – nachdem die USA die Live-Tests 1992 eingestellt hatten. Nach der Inbetriebnahme im Jahr 2009 wurde dies jedoch bald der Fall Es stellte sich heraus, dass die zur Steuerung der eigenen Operationen verwendeten Programme die damit verbundenen Schwierigkeiten unterschätzt hatten, insbesondere beim Umgang mit Plasmainstabilitäten und der Erzeugung entsprechend symmetrischer Implosionen. Da NIF sein ursprüngliches Ziel, die Zündung bis 2012 zu erreichen, verfehlte, legte die US-amerikanische National Nuclear Security Administration, die das Labor beaufsichtigt, dieses Ziel beiseite, um sich auf die zeitaufwändige Aufgabe zu konzentrieren, die Implosionsdynamik besser zu verstehen.

Anfang 2021 zeigten Hurricane und Kollegen nach einer Reihe experimenteller Modifikationen schließlich, dass sie mit dem Laser ein sogenanntes brennendes Plasma erzeugen können – bei dem die Wärme von Alphateilchen die externe Energiezufuhr übersteigt. Anschließend nahmen sie eine Reihe weiterer Optimierungen vor, darunter die Verkleinerung der Lasereintrittslöcher des Hohlraums und die Verringerung der Spitzenleistung des Lasers. Der Effekt bestand darin, einen Teil der Röntgenenergie in einen späteren Teil des Schusses zu verlagern, was die auf den Kernbrennstoff übertragene Leistung erhöhte und ihn so weit anhob, dass er die Strahlungs- und Leitungsverluste übertraf.

Im August 2021 zeichneten NIF-Forscher ihre bahnbrechende Aufnahme „N210808“ auf. Der Hotspot im Zentrum des Brennstoffs hatte in diesem Fall eine Temperatur von rund 125 Millionen Kelvin und eine Energieausbeute von 1.37 MJ – etwa achtmal höher als ihr bisheriges Bestergebnis, das Anfang des Jahres erzielt wurde. Diese neue Ausbeute implizierte einen „Zielgewinn“ von 0.72 – im Vergleich zur 1.97 MJ-Leistung des Lasers – und einen „Kapselgewinn“ von 5.8, wenn man stattdessen die von der Kapsel absorbierte Energie berücksichtigt. 

Noch wichtiger ist, dass das Experiment bei Hurricane auch das sogenannte Lawson-Kriterium für die Zündung erfüllte. Dies wurde erstmals 1955 vom Ingenieur und Physiker John Lawson dargelegt und legt die Bedingungen fest, unter denen die Selbsterwärmung der Fusion den Energieverlust durch Leitung und Strahlung übersteigt. Laut Hurricane erfüllten die NIF-Ergebnisse neun verschiedene Formulierungen des Kriteriums für die Trägheitseinschlussfusion und demonstrierten damit die Zündung „ohne Mehrdeutigkeit“.

Drei Schüsse und du bist raus

Nach dem Rekordschuss wollten Hurricane und einige seiner Wissenschaftlerkollegen am NIF ihren Erfolg unbedingt wiederholen. Doch die Laborleitung war nicht so begeistert. Entsprechend Markus Herrmann, damals stellvertretender Direktor für grundlegende Waffenphysik bei Livermore, wurden im Anschluss an N210808 mehrere Arbeitsgruppen eingerichtet, um die nächsten Schritte zu bewerten. Er sagt, dass ein Managementteam, bestehend aus rund zehn Experten für Trägheitseinschluss, diese Erkenntnisse zusammengetragen und einen Plan ausgearbeitet habe, den es im September vorstellte.

Herrmann sagt, dass der Plan drei Teile enthielt: den Versuch, N210808 zu reproduzieren; Analyse der experimentellen Bedingungen, die den Rekordschuss ermöglichten; und versuchen, „robuste Megajoule-Ausbeuten“ zu erzielen. Bei der Diskussion des ersten Punktes ging es um das, was Herrmann als „große Meinungsvielfalt“ unter den rund 100 Wissenschaftlern bezeichnet, die am Fusionsprogramm arbeiten. Angesichts der „begrenzten Ressourcen“ und einer begrenzten Anzahl von Zielen in der Charge, die N210808 enthielt, habe sich das Managementteam schließlich auf nur drei zusätzliche Schüsse geeinigt.

Hurricane hat eine etwas andere Erinnerung und besagt, dass es vier Wiederholungen gab. Diese Experimente, sagt er, wurden über einen Zeitraum von etwa drei Monaten durchgeführt und erzielten Erträge, die zwischen weniger als einem Fünftel und etwa der Hälfte der im August erzielten Erträge lagen. Aber er behauptet, dass diese Aufnahmen immer noch „sehr gute Experimente“ seien und fügt hinzu, dass sie auch einige Formulierungen des Lawson-Kriteriums erfüllten. Der Leistungsunterschied sei „nicht so binär, wie die Leute dargestellt haben“.

Bei der Plasmabeschichtung handelt es sich um ein Rezept, sodass das Ergebnis, genau wie beim Brotbacken, nicht immer das gleiche Ergebnis erhält

Omar-Hurrikan

Was die Ursache dieser enormen Leistungsschwankungen betrifft, sagt Herrmann, dass die führende Hypothese Hohlräume und Einkerbungen in den Treibstoffkapseln sind, die aus Industriediamant hergestellt werden. Er erklärt, dass diese Unvollkommenheiten während des Implosionsprozesses verstärkt werden können, wodurch der Diamant in den Hot Spot gelangt. Da Kohlenstoff eine höhere Ordnungszahl als Deuterium oder Tritium hat, kann er viel effizienter strahlen, was den Hot Spot kühlt und die Leistung verringert. 

Hurricane stimmt zu, dass der Diamant wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Variation der Schlagleistung spielt. Er weist darauf hin, dass angesichts der Nichtlinearität der NIF-Implosionen große Schwankungen in der Leistung zu erwarten seien, und sagt, dass die beteiligten Wissenschaftler den Plasmabeschichtungsprozess, der bei der Herstellung der Kapseln zum Einsatz kommt, nicht vollständig verstehen. „Es ist ein Rezept“, sagt er, „also wird es, genau wie beim Brotbacken, nicht jedes Mal genau gleich.“

Der Weg zur Fusionsenergie

Laut Hurricane untersucht das Team derzeit verschiedene Möglichkeiten, um neben der Verbesserung der Kapselqualität auch die Produktion von NIF zu steigern. Dazu gehören die Änderung der Kapseldicke, die Änderung der Größe oder Geometrie des Hohlraums oder möglicherweise die Erhöhung der Laserpulsenergie auf etwa 2.1 MJ, um die für das Ziel erforderliche Präzision zu verringern. Er sagt, dass es „keine magische Zahl“ gibt, wenn es um den Zielgewinn geht, fügt aber hinzu, dass je höher der Gewinn, desto größer der Parameterraum, der bei der Verwaltung von Lagerbeständen untersucht werden kann. Er weist auch darauf hin, dass ein Gewinn von 1 nicht bedeutet, dass die Anlage Nettoenergie erzeugt, wenn man bedenkt, wie wenig von der eingehenden elektrischen Energie der Laser auf dem Ziel in Licht umwandelt – im Fall von NIF weniger als 1 %.

Der lange Weg zur Zündung

Michael Campbell von der Universität Rochester in den USA geht davon aus, dass NIF „in den nächsten 1 bis 2 Jahren“ einen Gewinn von mindestens 5 erzielen könnte, sofern angemessene Verbesserungen am Hohlraum und am Ziel vorgenommen werden. Er argumentiert jedoch, dass das Erreichen kommerziell relevanter Gewinne von 50–100 wahrscheinlich einen Wechsel vom „indirekten Antrieb“ der NIF, der Röntgenstrahlen erzeugt, um das Ziel zu komprimieren, zum potenziell effizienteren, aber schwierigeren „direkten Antrieb“ erfordern würde, der darauf beruht die Laserstrahlung selbst.

Trotz der wahrscheinlich benötigten mehreren Milliarden US-Dollar ist Campbell optimistisch, dass eine geeignete Anlage mit Direktantrieb bis Ende der 2030er Jahre solche Gewinne erzielen kann – insbesondere, wenn der Privatsektor einbezogen wird. Er warnt jedoch davor, dass kommerzielle Kraftwerke wahrscheinlich erst Mitte des Jahrhunderts in Betrieb gehen würden. „Fusionsenergie ist langfristig angelegt“, sagt er, „ich denke, die Menschen müssen realistisch sein, was die Herausforderungen angeht.“