Seit 75 Jahren ist es ein Traum, eine sonnenähnliche Fusion auf der Erde zu reproduzieren. Teams von Wissenschaftlern und Ingenieuren auf der ganzen Welt haben Dutzende Milliarden Dollar für verschiedene Fusionsmethoden ausgegeben, hatten jedoch lange Zeit damit zu kämpfen, den Meilenstein „Nettoenergiegewinn“ zu erreichen.
Bis vor einem Jahr änderte sich jedoch alles.
Am 5. Dezember 2022 feuerte der größte und energiereichste Laser der Welt in der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 192 Laserstrahlen ab und richtete sie auf ein pfefferkorngroßes Ziel, wodurch eine winzige „Sonne“ entstand " auf der Erde. Nach dem Abfeuern von 2,05 Megajoule Laserenergie auf das Ziel erzeugte das Experiment mehr Fusionsenergie, als zum Zünden von Fusionsbrennstoff erforderlich ist, indem es eine Energieleistung von 3,15 Megajoule erzeugte – ein großer wissenschaftlicher Durchbruch seit Jahrzehnten.
Erneut die Laserenergiegrenze durchbrechen
Erfreulicherweise hat die National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den Vereinigten Staaten kürzlich einen weiteren neuen Rekord für Laserenergie aufgestellt: Sie emittierte erstmals 2,2 Megajoule (MJ) auf ein Zündziel.
Das neu gemeldete Experiment, das am 30. Oktober durchgeführt wurde, erzeugte 3,4 MJ Fusionsenergie, erreichte eine Zündung und erzeugte die zweithöchste Neutronenausbeute aller Zeiten am NIF.
Gordon Brunton, Direktor der National Ignition Facility (NIF), sagte: „Diese Rekordleistung an Laserenergie ist eine unglaubliche Leistung, die jahrelange harte Arbeit erforderte. Und es ist unsere vierte erfolgreiche Demonstration der Fusionszündung am NIF. Diese Arbeit.“ ist für die Mission des Labors von grundlegender Bedeutung, mit neuen Fähigkeiten, die das Stockpile Stewardship Program der National Nuclear Security Administration unterstützen und uns hoffentlich der Zukunft der Fusionsenergie näher bringen können.“
Am 5. Dezember 2022 gelang LLNL erstmals die Fusionszündung. Das zweite Mal war am 30. Juli 2023, als der NIF-Laser in einem kontrollierten Fusionsexperiment 2,05 Megajoule Energie an das Ziel lieferte und dabei eine Fusionsenergieleistung von 3,88 Megajoule erzeugte, den höchsten Energiegewinn, der bisher erreicht wurde Der NIF-Laser erreichte am 8. Oktober 2023 die Fusionszündung mit einer Laserenergie von 1,9 MJ und einer Fusionsenergieabgabe von 2,4 MJ.
Wichtige Fortschritte in der Kernfusion
„Wir befinden uns auf einer steilen Leistungswachstumskurve“, sagte Jean-Michel Di Nicola, gemeinsamer Projektleiter des NIF und der Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organization. „Die Erhöhung der Laserenergie gibt uns mehr Spielraum, um Probleme wie Treibstoff anzugehen.“ Kapseldefekte oder Brennstoff-Hotspot-Asymmetrien. Höhere Laserenergien tragen dazu bei, stabilere Implosionen zu erreichen, was wiederum zu höheren Energieausbeuten führt.“
An der Fähigkeit des Lasers, so viel Energie abzugeben, besteht kein Zweifel. Und die Herausforderung besteht darin, die wertvolle Optik des NIF vor Trümmerschäden zu schützen, sagt Bruno Van Wonterghem, Betriebsleiter beim NIF: „Der Laser selbst ist in der Lage, höhere Energien zu erzeugen, ohne dass grundlegende Änderungen am Laser erforderlich sind. Wir tun dies alles, um die Schadensbegrenzung zu maximieren.“ Denn wenn zu viel Energie ohne angemessenen Schutz vorhanden ist, kann Ihre Optik in Stücke gerissen werden.“
NIF verwaltet das einzige Lasersystem der Welt, das oberhalb der Schadensschwelle arbeitet, eine Leistung, die teilweise durch den sogenannten Optical Recycling Loop ermöglicht wird.
Stärkere Laser, bessere Leistung
Zwei wichtige Abhilfemaßnahmen, die im Juni 2023 abgeschlossen wurden, waren entscheidend für die Lieferung von 2,2 MJ Laserenergie an das Ziel – der Einsatz einer Abschirmung aus Quarzglastrümmern an zwei Dritteln der Strahllinien des NIF und die Installation von Metallabschirmungen an 32 Strahllinien in der unteren Hemisphäre , was je nach Strahllinie die Rate der durch Trümmer verursachten Schäden um den Faktor 10-100 reduziert hat. Diese unteren Strahlführungsoptiken nehmen aufgrund der Schwerkraft die meisten Trümmer aus der Zielkammer auf.
Zu den weiteren Verbesserungen gehören neue Antireflexbeschichtungen, eine Dampfbehandlung mit Hexamethyldiazepan (HMDS) und eine erhöhte Kapazität des optischen Rückgewinnungskreislaufs. Ein neuer mildernder Wirkstoff – ein Gray-Edge-Blocker – löst ein Problem, das Wissenschaftler noch nicht identifiziert hatten.
„Es gibt eine Untergruppe von Strahlen, die nicht so gut funktionieren wie andere“, sagt Di Nicola, „und wir haben herausgefunden, dass diese Strahllinien eine bessere Leistung erbringen, wenn wir die Laserenergiedichte radikal reduzieren, indem wir einen Schatten auf eine Kante der Strahllinie werfen.“ . Wir sind uns immer noch nicht ganz sicher, was die Ursache des Problems ist, aber wir werden dies in Zukunft aktiv untersuchen.“
Die Lösung des Rätsels war für die Wissenschaftler und Ingenieure, die am energiereichsten Lasersystem der Welt, dem NIF, arbeiten, eine Selbstverständlichkeit, und OMST-Chefvertreter Tayyab Suratwala sagte: „Wir haben den Laserschaden untersucht und festgestellt, dass die Schadensbegrenzungsmaßnahmen modelliert und getestet wurden „Wenn wir die Laserenergie erhöhen, betreten wir beispielloses Terrain und enthüllen neue Schadensmechanismen.“
Mehr Energie allein reicht nicht aus, um die unglaubliche Bilanz wissenschaftlicher Durchbrüche des National Institute of Science aufrechtzuerhalten. Di Nicola: „Sie müssen den größeren Hammer mit Kontrolle und Geschick schwingen. Der Laserpuls dauert nur eine Milliardstel Sekunde, also müssen Sie es tun.“ Seien Sie sehr präzise, um es genau richtig zu machen.
Zu diesem Zweck hat das Team kürzlich den Einsatz des High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS)-Systems abgeschlossen, das eine präzisere und genauere Impulsformung ermöglicht. HiFiPS ist ein seit Jahren in der Entwicklung befindliches Projekt, das eine bessere Leistungsbalance und symmetrische Kontrolle bei Implosionen ermöglicht.
Als weitere Verbesserung überarbeitete das Team die optischen Fasern des Geräts, um sie widerstandsfähiger gegen wiederholte Neutronenexposition zu machen. Mithilfe dieser Fasern werden die zum Ziel übertragenen Laserimpulse genau gemessen. Durch die Sanierung wurde die Signalstärke um den Faktor 10-100 erhöht, sodass Forscher weiterhin die Leistung des Lasers „sehen“ konnten.
Was sind die Hoffnungen für die Zukunft?
Derzeit hat der Laser 2,2 Megajoule Laserenergie geliefert. Das Team kehrte in die Forschungsphase zurück und führte den gleichen Prozess nach dem ersten Experiment durch, das eine Fusionszündung hervorbrachte.
„Wir schauen uns die Optik an, bewerten den Schaden und überlegen, wie oft wir diese neue Fähigkeit nutzen können“, sagte Suratwala. In der Zwischenzeit feiern wir diesen großen Erfolg. Er ist das Ergebnis jahrelanger harter Arbeit im Großen und Ganzen Team innerhalb von LLNL und vielen externen Partnern.
