Liquid Target verleiht der Trägheitsfusion neuen Schwung

Jul 29, 2023

Als Wissenschaftler der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory im vergangenen Dezember einen Nettoenergiegewinn – oder eine Zündung – in einem Fusionsreaktor erzielten, konnte man praktisch hören, wie Champagner entkorkt wurde. Die Entdeckung des NIF war sicherlich ein „notwendiger erster Schritt“, aber die mögliche Möglichkeit einer Massenfusion liegt noch in weiter Ferne.

Umso mehr Grund, einen kleinen, aber notwendigen ersten Schritt für eine andere Form der Trägheitsfusion zu feiern. Forscher des Labors für Laserenergetik (LLE) der Universität Rochester haben ein Konzept namens dynamische Schalenbildung (DS) demonstriert, mit dem günstigere Ziele für Trägheitsfusionsenergie geschaffen werden könnten.

Bei einer Fusionsreaktion verbinden sich zwei leichtere Atomkerne zu einem schwereren Kern und setzen dabei eine große Energiemenge frei. Diese Reaktionen finden in einem Plasma unter Bedingungen extrem hoher Temperatur (über 100 Millionen Grad Celsius) und Druck statt. Sie benötigen außerdem einen zuverlässigen Einschluss, um die Reaktion lange genug aufrechtzuerhalten, um einen Nettoleistungsgewinn zu erzielen.

Die gefrorenen Treibstoffziele der National Ignition Facility sind schwer herzustellen und die Herstellung dauert jeweils mehrere Tage. Dies ist ein Problem, da eine Fusionsanlage etwa eine Million Ziele pro Tag benötigen würde.

Wie bei der riesigen und viel diskutierten Anlage des NIF werden auch im Proof-of-Concept-System der Rochester-Gruppe Reaktionen durch Komprimieren und Erhitzen von Zielen mithilfe von Lasern ausgelöst. Die Ziele sind winzige Pellets, die mit Treibstoff gefüllt sind, der meist aus den Wasserstoffisotopen Deuterium (D) und Tritium (T) besteht. Dann wird im Bruchteil einer Sekunde Fusionsenergie erzeugt, bevor das Ziel durch die extremen Temperaturen und die extreme Dichte infolge der Kompression auseinandergesprengt wird.

Bei der DS-Methode verwenden die Forscher anstelle der herkömmlichen gefrorenen Wasserstoff-Targets, die im NIF verwendet werden, flüssige Targets. Diese bestehen aus einer benetzten Schaumstoffkapsel, in die ein Tropfen flüssigen DT-Kraftstoffs eingespritzt wird. Das Ziel wird dann mit zeitlich abgestimmten Laserimpulsen bombardiert, die zunächst eine Druckwelle erzeugen und diese dann ausdehnen. Die Druckwelle bildet eine dichte Hülle mit einem Hohlraum in der Mitte, und schließlich implodiert die Hülle und setzt Fusionsenergie frei.

„Es war nicht klar, ob diese Technik im Prinzip funktionieren würde“, sagt Co-Leiter Igor Igumenshchev, ein leitender Wissenschaftler am LLE, „also haben wir ein Proof-of-Principe-Experiment durchgeführt, um zu zeigen, dass diese Entwicklung möglich und stabil ist.“ genug, um mit der weiteren Forschung fortzufahren.“ Die Forscher verwendeten ein Ersatzschaumtarget mit ungefähr der gleichen Dichte wie flüssiger Kraftstoff. Der nächste Schritt werde darin bestehen, das Experiment mit DT-Kraftstoff durchzuführen, was komplizierter sein werde.

Die gefrorenen DT-Pellets, die herkömmlicherweise bei der Inertial Confinement Fusion (ICF) verwendet werden, sind schwierig herzustellen und die Herstellung eines einzelnen Ziels dauert Tage. Dies ist ein Problem, da eine Fusionsanlage etwa eine Million Ziele pro Tag benötigen würde. Die in der DS-Technik beschriebenen flüssigen Targets erfordern jedoch nicht die komplexe kryogene Schichtung der gefrorenen Targets und sind daher viel billiger und einfacher herzustellen.

Ein weiterer Vorteil des DS-Konzepts besteht darin, dass man mit einem einfacheren Ziel beginnt – nur einem Flüssigkeitströpfchen, sagt Valeri Goncharov, Leiter der Theorieabteilung am LLE und Co-Leiter des Projekts. Bei Lasern, sagt er, wird das Ziel erweitert und zu einer Hülle mit einer glatteren Zieloberfläche als beim NIF-System geformt. „Wir wissen jetzt, dass es aus physikalischer Sicht nichts gibt, was uns daran hindert, Ziele zu produzieren, die Kraftwerke richtig zünden können“, sagt er. „Was wir brauchen, ist eine effiziente Komprimierung des Ziels.“

Der Nachteil der DS-Bildungstechnik besteht darin, dass sie Laserpulse mit langer Dauer erfordert, die mit der heutigen Lasertechnologie nur schwer zu erzeugen sind. Die DS-Bildung erzeugt auch Laser-Plasma-Wechselwirkungen. Laut Goncharov „ist dies derzeit das größte Problem bei ICF – die Eliminierung von Plasmawellen, die Energie zurückstreuen.“ Daran arbeite man bei LLE, fügt er hinzu.

Sie verwenden Breitbandlaser, die nicht nur eine einzige Wellenlänge haben, sondern leichte Wellenlängenschwankungen aufweisen und die Entstehung von Plasmawellen verhindern könnten. Die Herausforderung besteht darin, nicht nur den richtigen Laser zu finden, der sich mit dem Plasma verbindet, sondern auch einen, der eine hohe Energieaufnahmeeffizienz von mindestens 10 bis 15 Prozent aufweist. „Wenn wir zeigen, dass [ein] Breitbandlaser Energie ausreichend an das Ziel koppeln kann, wäre das ein bedeutender Fortschritt“, sagt Goncharov.

George Tynan von der University of California in San Diego, zu dessen Forschungsinteressen die Plasmaphysik der kontrollierten Kernfusion als Energiequelle gehört, sagt, dass das Experiment eine Proof-of-Concept-Demonstration von DS liefert. (Tynan war an der LLE-Studie nicht beteiligt.) „Die Ergebnisse in der Arbeit zeigen, dass die grundlegende Plasmaproduktion und Hydrodynamik, die für das DS-Konzept erforderlich sind, zumindest im Prinzip wie erforderlich funktionieren“, sagt er. „Der nächste logische Schritt wäre meiner Meinung nach der Nachweis einer erfolgreichen DS-Bildung in einem Schaumziel, das mit flüssigem DT infundiert wurde.“

Das Rochester-Team berichtete über seine Ergebnisse in einer aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Physical Review Letters.