Durchbruch in der Trägheits-Fusionsforschung

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„Der zündende Moment“

„US-Physiker haben einen Meilenstein auf dem Weg zur Nutzung der Kernfusion erreicht: Per Laser entfachten sie eine Fusionsreaktion, die sich weitgehend selbst erhielt“ – das schreibt Christian J. Meier im Zürcher Tagesanzeiger. Und Manfred Lindinger in der FAZ: „Die künstliche Sonne im Laserlabor“. Eine internationale Forschergruppe am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) unweit von San Francisco habe nun einen großen Fortschritt in der Fusionsforschung erzielt. Stichwort: Brennendes Plasma.

Symbolbild – Feuer – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Nach jahrzehntelanger Fusionsforschung war bereits im November 2020 und Februar 2021 in der National Ignition Facility des Lawrence Livermore National Laboratory, dem energiereichsten Laser der Welt, ein brennender Plasmazustand erreicht worden. Im brennenden Plasma, ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur selbstversorgenden Fusionsenergie, ist ein Plasma, sind die Fusionsreaktionen selbst die primäre Quelle für die Erwärmung des Plasmas, die notwendig ist, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und fortzusetzen, um einen hohen Energiegewinn zu ermöglichen.

Wissenschaftler um Alex Zylstra vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) sind diesem Ziel nun einen Schritt näher gekommen, wie sie im Wissenschaftsjournal Nature berichten. Mit einem Laserpuls zündeten sie eine Kernfusion, die sich selbst weiter befeuerte. Der Fusionstreibstoff „brennt“, sagen Physiker dazu. Es muss dann viel weniger Wärme von außen zugeführt werden, um die Fusion aufrechtzuerhalten. Erst dann kann man deutlich mehr Energie aus der Kernfusion ziehen, als man hineinsteckt – Kraftwerke werden denkbar.

Trägheitsfusion

Die Forscher an der National Ignition Facility des LLNLerzeugten neben einer hohen Temperatur auch einen extrem hohen Druck im Plasma. Dazu füllten sie eine stecknadelkopfgroße Kapsel mit Wasserstoff und erhitzen sie mithilfe eines starken Lasers schlagartig, sodass die Hülle der Kapsel explodierte. Nach dem Rückstoßprinzip implodierte der enthaltene Wasserstoff so heftig, dass er sich im Kugelmittelpunkt extrem verdichtete. In diesem winzigen Punkt herrschten für Sekundenbruchteile Bedingungen wie im Sonneninnern, sodass sich Plasma bildete und es zur Kernfusion kam. Die Fusion erhitzte das Plasma zehnmal so stark wie der Laser.

Abstract aus Nature

„Das Erreichen eines brennenden Plasmas ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur selbstversorgenden Fusionsenergie. Ein brennendes Plasma ist ein Plasma, in dem die Fusionsreaktionen selbst die primäre Quelle für die Erwärmung des Plasmas sind, die notwendig ist, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und fortzusetzen, was einen hohen Energiegewinn ermöglicht. Nach jahrzehntelanger Fusionsforschung gelingt es uns hier, einen brennenden Plasmazustand im Labor zu erreichen. Diese Experimente wurden in der US National Ignition Facility durchgeführt, einer Laseranlage, die bis zu 1,9 Megajoule Energie in Pulsen mit Spitzenleistungen von bis zu 500 Terawatt liefert. Wir nutzen die Laser zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einem Strahlungshohlraum, um eine brennstoffhaltige Kapsel indirekt über den Röntgenabtragungsdruck anzutreiben, was dazu führt, dass der Implosionsprozess den Brennstoff durch mechanische Arbeit komprimiert und erhitzt. Der brennende Plasmazustand wurde mit einer Strategie zur Vergrößerung der räumlichen Größe der Kapsel durch zwei verschiedene Implosionskonzepte erzeugt. Diese Experimente zeigen eine Fusionsselbsterhitzung, die die in die Implosionen eingebrachte mechanische Arbeit übersteigt und mehrere Metriken des brennenden Plasmas erfüllt. Darüber hinaus beschreiben wir eine Untergruppe von Experimenten, bei denen die Grenze der statischen Selbsterhitzung überschritten zu sein scheint, bei der die Fusionserwärmung die Energieverluste durch Strahlung und Leitung übersteigt. Diese Ergebnisse bieten die Möglichkeit, von ?-Teilchen dominierte Plasmen und die Physik brennender Plasmen im Labor zu untersuchen.“

Allgemein

Die Fusionsforschung zielt grundsätzlich darauf ab, ein System zu schaffen, das mehr Energie erbringt, als zu seiner Erzeugung erforderlich war, eine notwendige Voraussetzung für Energieanwendungen; in der Praxis muss die Fusionsreaktion selbsterhaltend sein, wobei die Selbsterhitzung die Verlustmechanismen überholt, was als „gezündet “ bezeichnet wird. Solche Bedingungen werden in astrophysikalischen Objekten erreicht, darunter in den Kernen von Sternen, Novae und Supernovae des Typs 1a, sowie in thermonuklearen Waffen. Die Zündung im Labor erfordert das Erhitzen des Brennstoffs auf unglaublich hohe Temperaturen, bei denen er zu einem „Plasma“ wird und Fusionsreaktionen leicht ablaufen, während gleichzeitig Energieverluste kontrolliert werden. In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere Ansätze zur Erhitzung und zum Einschluss des Plasmas entwickelt, wobei die meisten auf Deuterium-Tritium (DT)-Brennstoff setzen, mit dem die Zündung am leichtesten zu erreichen ist. Die vorherrschenden Ansätze für den Plasmaeinschluss sind die „Trägheitsverbrennung“, bei der der Brennstoff durch seine eigene Trägheit eingeschlossen wird, und die „Magnetverbrennung“, bei der spezielle Konfigurationen von Magnetfeldern die geladenen Teilchen im Plasma einschließen. Damit ein DT-Fusionsplasma thermisch instabil wird und sich entzünden kann, muss es zunächst einen „brennenden“ Zustand erreichen. In diesem Zustand übersteigt die Selbsterhitzung durch die Abscheidung von ?-Teilchen die von außen in das DT8 eingebrachte Wärme; dieses Verhältnis wird mit Q? bezeichnet, wobei die Selbsterhitzung relativ zur Heizleistung des Plasmas betrachtet wird – bei der Trägheitsfusion ist dies die PdV-Kompressionsarbeit am Brennstoff und nicht die gesamte Laserenergie (P, Druck, dV, Volumenänderung). Q? > 1 ist ein brennendes Plasma.

Ein brennendes Plasma unterscheidet sich von anderen wissenschaftlichen Meilensteinen der Trägheitsfusion. Im Jahr 2014 wurde der erste Meilenstein des „Brennstoffgewinns „13 (Gfuel > 1) erreicht, bei dem die Fusionsausbeute die dem Brennstoff zugeführte Energie übersteigt; dies entspricht einer Ausbeute von etwa 12-14 kJ an der National Ignition Facility (NIF). Bei 20-22 kJ wurde die Ausbeute durch eine Rückkopplung durch Selbsterhitzung, die so genannte „?-Erhitzung „, ungefähr verdoppelt. Der nächste wissenschaftliche Meilenstein ist ein brennendes Plasma, wie zuvor beschrieben; dies ist der wissenschaftliche Meilenstein, der in dieser Arbeit erreicht wurde. Für ein brennendes Plasma wird kein Netto-Energiegewinn (G) im Vergleich zur Laserenergie erwartet. Aufgrund der Energieverluste beim Erreichen des erforderlichen komprimierten Zustands müssen ICF-Implosionen gezündet werden, bevor ein Netto-Energiegewinn möglich ist. Ein Nettoenergiegewinn würde eine Fusionsausbeute erfordern, die größer ist als die Laserenergie (1,9 MJ). Ein brennendes Plasma (Q? > 1) ist ein neues physikalisches Regime für die Laborfusion, auch wenn eine Zündung oder ein Energiegewinn nicht möglich ist.

Kapseln kleiner als 1 mm

Bei diesen Experimenten wurden Kapseln mit ähnlichen Innenradien zwischen 0,91 und 0,95 mm verwendet. Innerhalb der maximalen Laserenergie, die NIF liefern kann, waren diese früheren Konstruktionen hinsichtlich der in die Kapsel eingekoppelten Energie und damit der kinetischen Energie des Brennstoffs durch die Fähigkeit begrenzt, die Symmetrie der Strahlungsumgebung innerhalb des Hohlraums zu kontrollieren, vor allem weil sich eine abgetragene Plasmablase dort ausdehnt, wo die äußeren Strahlen auf die Wand treffen, welche die inneren Strahlen abfängt und dadurch den Antrieb an der Hohlraumtaille unterdrückt. Um eine Symmetriekontrolle mit effizienteren Hohlräumen zu ermöglichen, die größere Kapseln antreiben, wurden zwei Taktiken angewandt: Anpassung des Energietransfers zwischen den äußeren und inneren Strahlen durch Änderung des Laserwellenlängenabstands (??) und Einbau einer Tasche in die Hohlraumwand an der Stelle des äußeren Strahls, um die Blasenausbreitung zu verzögern.

Es wurden vier Experimente mit diesen neuen Konstruktionen durchgeführt, die am NIF eine Rekordleistung erbrachten, mit einer dreifachen Fusionsausbeute im Vergleich zu früheren Experimenten, bis zu einem Maximum von etwa 170 kJ, über das hier berichtet wird. Die Experimente werden mit einer Experimentnummer bezeichnet, die das Datum des Experiments angibt (z. B. im Format NYYMMDD, wobei YY = Jahr, MM = Monat und DD = Tag). N201101 und N210207 waren Experimente mit der Hybrid-E-Plattform und N201122 und N210220 waren Experimente mit der I-Raum-Plattform. Die Experimente im November (N201101 und N201122) erreichten aufgrund ihres größeren Umfangs und günstiger Implosionsparameter eine wesentlich höhere Leistung als frühere Arbeiten, litten jedoch jeweils unter Low-Mode-Degradationen; diese Low-Mode-Asymmetrien wurden bei den nachfolgenden Experimenten (N210207 und N210220) abgeschwächt, was zu einer höheren Leistung führte.

Obwohl es wünschenswert wäre, eine direkte Messung zu haben, die ein brennendes Plasma anzeigt, ist eine solche Messung noch nicht bekannt, so dass stattdessen Rückschlüsse aus Daten gezogen werden müssen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir im Labor einen brennenden Plasmazustand erzeugt haben, bei dem das Plasma überwiegend selbsterhitzt war. Dies wurde mit Hilfe von Trägheitsfusionsimplosionen am US NIF erreicht; frühere Experimente hier lagen knapp unterhalb der Schwelle für ein brennendes Plasma. Wir haben den Maßstab der Kapsel im Vergleich zu früheren Arbeiten vergrößert, die Kopplungseffizienz von Laserenergie zur Kapsel erhöht und die Implosionssymmetrie durch neue Taktiken kontrolliert. Es wurden vier Experimente durchgeführt, die den Schwellenwert für ein brennendes Plasma nach mehreren Maßstäben überschritten haben, wobei die beiden jüngsten Experimente besonders zuverlässig waren.

Außerdem befindet sich das leistungsstärkste Experiment (N210207) in einem strengeren Bereich, in dem die Selbsterhitzung die Energieverluste durch Strahlung und Leitung übersteigt. Obwohl diese Ergebnisse aufgrund der inhärenten Ineffizienzen der ICF nicht ausreichen, um die Gesamtenergie des Systems zu gewinnen, stellen diese Experimente einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels dar, mit Rekordwerten für Parameter, die unsere Nähe zur Zündung in der NIF bewerten. Es wurden mehrere vielversprechende Wege für weitere Leistungssteigerungen aufgezeigt, die im Rahmen des US-amerikanischen Trägheitsfusionsprogramms verfolgt werden, zusätzlich zu neuartigen physikalischen Prozessen im brennenden Plasma, wie z. B. ?-teilchengetriebene Prozesse.

->Quellen: