In der Zielkammer der National Ignition Facility werden 192 Laserstrahlen auf pfefferkorngroße Pellets aus Fusionsbrennstoff fokussiert.
Lawrence Livermore National Laboratory
Im Oktober 2010 schalteten Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory in einem Gebäude von der Größe dreier US-Fußballfelder 192 Laserstrahlen ein, bündelten ihre Energie zu einem Puls mit der Wucht eines rasenden Lastwagens und feuerten ihn auf ein Kernbrennstoffkügelchen von der Größe eines Pfefferkorns. So begann eine Kampagne der National Ignition Facility (NIF), um das Ziel zu erreichen, nach dem sie benannt ist: die Zündung einer Fusionsreaktion, die mehr Energie erzeugt, als der Laser einbringt.
Ein Jahrzehnt und fast 3000 Schüsse später erzeugt die NIF immer noch mehr Zischen als Knallen, behindert durch das komplexe, schlecht verstandene Verhalten der Laserziele, wenn sie verdampfen und implodieren. Doch dank neuer Zielkonstruktionen und Laserpulsformen sowie besserer Instrumente zur Überwachung der Miniaturexplosionen glauben die NIF-Forscher, dass sie kurz vor einem wichtigen Zwischenziel stehen, das als „brennendes Plasma“ bekannt ist: ein Fusionsbrand, der durch die Wärme der Reaktion selbst und nicht durch die Zufuhr von Laserenergie aufrechterhalten wird.
Die Selbsterhitzung ist der Schlüssel zum Verbrennen des gesamten Brennstoffs und zu einem unkontrollierbaren Energiegewinn. Sobald NIF die Schwelle erreicht hat, wird es laut Simulationen einen leichteren Weg zur Zündung haben, sagt Mark Herrmann, der das Fusionsprogramm von Livermore leitet. „Wir machen so viel Druck, wie wir können“, sagt er. „Man kann die Beschleunigung in unserem Verständnis spüren. Auch Außenstehende sind beeindruckt. „Man hat das Gefühl, dass es einen stetigen Fortschritt gibt und weniger Rätselraten“, sagt Steven Rose, Co-Direktor des Centre for Inertial Fusion Studies am Imperial College London. „
NIF kann sich den Luxus der Zeit jedoch nicht leisten. Der Anteil der NIF-Zündungen wurde von einem Höchststand von fast 60 % im Jahr 2012 auf heute weniger als 30 % gesenkt, um mehr Zündungen für die Lagerverwaltung zu reservieren – Experimente, bei denen Nukleardetonationen simuliert werden, um die Zuverlässigkeit von Sprengköpfen zu überprüfen. Die Haushaltsanträge der Präsidenten der letzten Jahre zielten wiederholt darauf ab, die Forschung zur Trägheitsfusion am NIF und anderswo zu kürzen, nur damit der Kongress sie beibehält. Der Geldgeber des NIF, die Nationale Behörde für nukleare Sicherheit (NNSA), überprüft die Fortschritte der Anlage zum ersten Mal seit fünf Jahren. Unter dem Druck, das Atomwaffenarsenal zu modernisieren, könnte die Behörde eine weitere Verlagerung in Richtung Lagerverwaltung beschließen. „Wird das Zündprogramm verdrängt?“, fragt Mike Dunne, der von 2010 bis 2014 die Fusionsenergiebemühungen von Livermore leitete. „
Die Fusion wird seit langem als kohlenstofffreie Energiequelle angepriesen, die mit leicht verfügbaren Wasserstoffisotopen betrieben wird und keine langlebigen radioaktiven Abfälle erzeugt. Aber sie bleibt ein ferner Traum, selbst für die langsam brennenden, donutförmigen magnetischen Öfen wie das ITER-Projekt in Frankreich, das irgendwann nach 2035 einen Energiegewinn erzielen soll.
NIF und andere Trägheitsfusionsanlagen würden weniger wie ein Ofen und mehr wie ein Verbrennungsmotor funktionieren und Energie durch schnelle Explosionen der winzigen Brennstoffpellets erzeugen. Während einige Fusionslaser ihre Strahlen direkt auf die Pellets richten, sind die Schüsse der NIF indirekt: Die Strahlen erhitzen eine Golddose von der Größe eines Radiergummis, den so genannten Hohlraum, der einen Röntgenstrahlenimpuls aussendet, der die Fusion auslösen soll, indem er die Brennstoffkapsel in seinem Zentrum auf mehrere zehn Millionen Grad erhitzt und sie auf Milliarden Atmosphären komprimiert.
Aber die Schüsse in den ersten drei Jahren der Zündkampagne lieferten jeweils nur etwa 1 Kilojoule (kJ) Energie, weniger als die 21 kJ, die durch den Röntgenpuls in die Kapsel gepumpt werden, und weit weniger als die 1,8 Megajoule (MJ) des ursprünglichen Laserpulses. Siegfried Glenzer, der die erste Kampagne leitete, sagt, dass das Team „zu ehrgeizig“ war, um die Zündung zu erreichen. „Wir haben uns zu sehr auf Simulationen verlassen“, sagt Glenzer, der jetzt am SLAC National Accelerator Laboratory arbeitet.
Nach der fehlgeschlagenen Zündungskampagne haben die NIF-Forscher ihre Diagnoseinstrumente aufgestockt. Sie fügten weitere Neutronendetektoren hinzu, um eine 3D-Ansicht des Ortes zu erhalten, an dem die Fusionsreaktionen stattfanden. Außerdem passten sie vier ihrer Laserstrahlen so an, dass sie kurz nach der Implosion ultraschnelle Hochleistungspulse erzeugen, um dünne Drähte in der Nähe des Targets zu verdampfen. Die Drähte wirken wie ein Röntgenblitz, der den Brennstoff bei seiner Kompression untersuchen kann. „Es ist wie ein CAT-Scan“, sagt der Planetenforscher Raymond Jeanloz von der Universität von Kalifornien in Berkeley, der NIF nutzt, um den Druck im Kern von Riesenplaneten wie dem Jupiter nachzustellen. (Etwa 10 % der NIF-Aufnahmen sind der Grundlagenforschung gewidmet.)
Mit ihrer schärferen Sicht haben die Forscher Energielecks aus dem implodierenden Brennstoffpellet aufgespürt. Eines davon trat an der Stelle auf, an der ein winziges Röhrchen den Brennstoff vor dem Schuss in die Kapsel einleitete. Um das Leck zu schließen, machte das Team den Schlauch noch dünner. Andere Lecks wurden auf die Kunststoffhülle der Kapsel zurückgeführt, so dass die Forscher die Herstellung überarbeiteten, um Unebenheiten von nur einem Millionstel Meter auszugleichen. Die verbesserte Diagnostik „hilft den Wissenschaftlern wirklich zu verstehen, welche Verbesserungen erforderlich sind“, sagt Mingsheng Wei vom Laboratory for Laser Energetics der University of Rochester.
Feuer durch Versuch
Die National Ignition Facility hat sich der Fusionszündung genähert – mehr Energie herauszuholen, als hineingeht -, indem sie ihre Laserpulse und Ziele verändert hat. Sie ist den Temperaturen und Drücken, die für ein Zwischenziel erforderlich sind, noch näher gekommen: ein sich selbst erhitzendes „brennendes Plasma“.
Das Team hat auch mit der Form der 20-Nanosekunden-Laserpulse gespielt. Bei den ersten Pulsen wurde die Leistung langsam gesteigert, um zu vermeiden, dass sich der Brennstoff zu schnell erhitzt und dadurch schwerer zu komprimieren ist. Spätere Pulse steigerten die Leistung stärker, so dass die Kunststoffkapsel weniger Zeit hatte, sich während der Kompression mit dem Brennstoff zu vermischen, eine Taktik, die die Ausbeute etwas erhöhte.
In der aktuellen Kampagne, die 2017 begann, erhöhen die Forscher die Temperaturen, indem sie den Hohlraum und die Kapsel um bis zu 20 % vergrößern und so die Röntgenenergie erhöhen, die die Kapsel absorbieren kann. Um den Druck zu erhöhen, verlängern sie die Dauer des Pulses und wechseln von Kunststoffkapseln zu dichteren Diamantkapseln, um den Brennstoff effizienter zu komprimieren.
NIF hat wiederholt Erträge von nahezu 60 kJ erzielt. Herrmann sagt jedoch, dass ein kürzlich erfolgter Schuss, der auf der Tagung der American Physical Society’s Division of Plasma Physics Anfang dieses Monats diskutiert wurde, diesen Wert übertraf. Es sind weitere Schüsse geplant, um festzustellen, wie nahe sie an ein brennendes Plasma herankommen, was bei 100 kJ der Fall sein dürfte. „Es ist ziemlich aufregend“, sagt er.
Selbst bei maximaler Kompression glauben die NIF-Forscher, dass nur das Zentrum des Brennstoffs heiß genug ist, um zu fusionieren. Ein ermutigender Befund ist jedoch, dass der heiße Punkt durch sich frenetisch bewegende Heliumkerne oder Alphateilchen, die bei den Fusionsreaktionen entstehen, einen Heizschub erhält. Wenn NIF nur ein bisschen mehr Energie hineinpumpen kann, sollte dies eine Welle entfachen, die aus dem heißen Punkt herausrast und dabei Brennstoff verbrennt.
Herrmann sagt, dass das Team noch ein paar weitere Tricks ausprobieren muss – jeder davon könnte die Temperaturen und den Druck auf ein Niveau treiben, das hoch genug ist, um das brennende Plasma und die Zündung zu unterstützen. Es werden verschiedene Hohlraumformen getestet, um die Energie besser auf die Kapsel zu konzentrieren. Sie experimentieren mit doppelwandigen Kapseln, die die Röntgenenergie effizienter einfangen und übertragen könnten. Und indem sie den Brennstoff in einen Schaum innerhalb der Kapsel eintauchen, anstatt ihn als Eis an den Kapselwänden einzufrieren, hoffen sie, einen besseren zentralen Hot Spot zu bilden.
Wird das ausreichen, um eine Zündung zu erreichen? Wenn diese Schritte nicht ausreichen, wäre eine Erhöhung der Laserenergie die nächste Option. NIF-Forscher haben Aufrüstungen an vier der Strahlrohre getestet und konnten eine Energieerhöhung erzielen, die, wenn die Aufrüstungen auf alle Strahlrohre angewandt würden, die gesamte Anlage in die Nähe von 3 MJ bringen würde.
Diese Aufrüstungen würden natürlich Zeit und Geld kosten, die NIF am Ende vielleicht nicht bekommt. Die Fusionsforscher am NIF und anderswo warten gespannt auf die Schlussfolgerungen der NNSA-Überprüfung. „Wie weit können wir kommen?“ fragt Herrmann. „Ich bin ein Optimist. Wir werden das NIF so weit bringen, wie wir können.“