Dieses bahnbrechende Kernfusionslabor bereitet sich darauf vor, weitere Rekorde zu brechen

Hier erfahren Sie, was als nächstes nach dem Durchbruch der US-amerikanischen National Ignition Facility bei der Kernfusion im vergangenen Jahr kommt

Letzten Monat feuerte die US-amerikanische National Ignition Facility (NIF) ihre Laser zum ersten Mal seit Dezember wieder auf volle Leistung, als sie ihr jahrzehntelanges Ziel der „Zündung“ erreichte, indem sie bei einer Kernreaktion mehr Energie produzierte, als sie verbrauchte. Der jüngste Durchlauf konnte nicht annähernd mithalten: NIF erreichte nur 4 % der Produktion von Ende letzten Jahres. Aber die Wissenschaftler hatten nicht damit gerechnet.

Aufbauend auf dem Erfolg von NIF lassen sie nun die experimentellen Muskeln des Programms spielen und versuchen, die Fähigkeiten der Kernfusionsanlage besser zu verstehen. Hier untersucht die Natur, was NIF erwartet und ob es die weltweiten Bemühungen zur Schaffung einer riesigen Versorgung mit sauberer Energie für den Planeten vorantreiben wird.

NIF mit Sitz im Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien ist eine stadiongroße Einrichtung, die 192 Laser auf einen winzigen Goldzylinder abfeuert, der eine Diamantkapsel enthält. In der Kapsel befindet sich ein gefrorenes Pellet der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Die Laser lösen eine Implosion aus, wodurch extreme Hitze und Druck entstehen, die die Wasserstoffisotope dazu bringen, zu Helium zu verschmelzen und zusätzliche Energie freizusetzen.

Eine der größten Herausforderungen bei der Umsetzung dieses Schemas ist die Herstellung der Diamantkapsel. Selbst kleinste Defekte – bakteriengroße Pockennarben, Metallverunreinigungen oder Variationen in Form und Dicke – beeinflussen die Implosion und damit den Druck und die Hitze, die die Fusionsreaktionen antreiben.

Bei rekordverdächtigen Experimenten in den Jahren 2021 und 2022 wurden die besten verfügbaren Kapseln verwendet, doch im März, während sie auf eine neue Charge warteten, führten NIF-Wissenschaftler ein Experiment mit einer Kapsel durch, die auf einer Seite dicker war als auf der anderen. Modellierungen legten nahe, dass sie diese Unvollkommenheit ausgleichen könnten, indem sie die von den Lasern kommenden Strahlen anpassen, um eine gleichmäßigere Implosion zu erzeugen. Dies sei ein Test für ihre theoretischen Vorhersagen gewesen, sagt Richard Town, ein Physiker, der das Forschungsprogramm zur Trägheitsfusion am LLNL leitet.

Die Ergebnisse blieben hinter ihren Vorhersagen zurück, und Forscher arbeiten nun daran, den Grund dafür zu verstehen. Aber wenn sich diese Untersuchung auszahlt, sagt Town, „erschließt sie uns mehr Kapseln, die wir verwenden können, und wird unser Verständnis der Implosion verbessern“.

Wissenschaftlern gelang es im Dezember, die Energie der Laser zu steigern und die Kapseldicke zu erhöhen, was dazu beiträgt, die Fusionsreaktionen zu verlängern. Experimente später in diesem Jahr werden einer ähnlichen Strategie folgen, sagt Annie Kritcher, eine Physikerin, die das Design der Kampagne leitet.

Langfristig besteht das Ziel darin, die durch Fusionsreaktionen erzeugte Energiemenge von 3,15 Megajoule im letzten Jahr auf Hunderte Megajoule zu steigern. Town sieht einen gangbaren Weg, die Energieausbeute von NIF auf mehrere zehn Megajoule zu steigern, indem unter anderem die Energie der Laser, die in das Ziel gelangen, weiter gesteigert wird. Er warnt jedoch davor, dass NIF bald erhebliche Sicherheitsverbesserungen vornehmen muss: Die Anlage ist nur für Fusionsausbeuten von bis zu 45 Megajoule ausgelegt. Bevor Experimente durchgeführt werden, die sich dieser Grenze nähern könnten, muss das Labor an strategischen Stellen die fast zwei Meter dicken Betonwände verstärken, die die Reaktion enthalten.

NIF war nie als Kraftwerk konzipiert. Sein Hauptziel bestand darin, Wissenschaftlern dabei zu helfen, zu überprüfen, ob die Waffen im US-Atomwaffenarsenal zuverlässig und sicher sind, indem die Reaktionen in ihrem Kern nachgebildet und untersucht wurden. Doch der Startschuss im Dezember „war ein Einstiegsereignis, das die Tür für ein Energieprogramm öffnete“, sagt Stephen Dean, Präsident von Fusion Power Associates, einer Interessenvertretung in Gaithersburg, Maryland.

Das rekordverdächtige Experiment erzeugte etwa 50 % mehr Energie, als an den Goldzylinder abgegeben wurde – und, was noch wichtiger ist, fast das 13-fache der Energie, die auf das innere Brennstoffpellet konzentriert war. Für Max Karasik, einen Physiker am Naval Research Laboratory in Washington DC, verdeutlicht dies einen möglichen Weg nach vorn, den er und andere verfolgen: den Goldzylinder abzuwerfen und die Laser direkt auf das Treibstoffpellet zu richten, ein experimentelles Design, das als Direktantrieb bekannt ist.

In dieser Konfiguration „steht viel mehr Energie zum Komprimieren des Brennstoffpellets zur Verfügung“, sagt Karasik.

Doch die bevorstehenden Herausforderungen für die Fusionsenergie sind gewaltig. Die Laser des NIF verbrauchten bei dem bahnbrechenden Experiment im Dezember 322 Megajoule Energie. Um die Öffentlichkeit mit Strom zu versorgen, müsste eine Laserfusionsanlage laut Dean 100-mal mehr Energie erzeugen als zugeführt wurde, und ihre Laser müssten etwa zehnmal pro Sekunde feuern. Das bedeutet, ein System zu entwickeln, das die Laser genau fokussieren und jeden Tag auf Hunderttausende Ziele abfeuern kann.

Mit seinem aktuellen Design wird das NIF ein Ort bleiben, an dem Wissenschaftler aus Laserfusionsexperimenten mit hoher Ausbeute lernen können, sagen Laborbeamte. Doch inzwischen drängen private Unternehmen immer häufiger auf alternative Lösungen.

Letztes Jahr legte die Regierung von US-Präsident Joe Biden auf einem Gipfeltreffen im Weißen Haus ihre Vision einer öffentlich-privaten Partnerschaft im Bereich der Fusionsenergie dar. Der private Sektor wird die Führung bei der Entwicklung neuer Fusionstechnologien übernehmen, während das US-Energieministerium (DOE), zu dem das NIF gehört, das Wissen in breiteren Bereichen wie Materialwissenschaft, fortschrittlicher Fertigung und Modellierung vorantreiben wird, die für die Zukunft von entscheidender Bedeutung sein werden Vermarktung.

In den nächsten 18 Monaten möchte das Energieministerium im Rahmen eines meilensteinbasierten Programms, das auf der Partnerschaft der NASA mit Raumfahrtunternehmen wie SpaceX basiert, Zuschüsse in Höhe von 50 Millionen US-Dollar an private Fusionsunternehmen vergeben. Laserfusionsunternehmen werden jedoch mit Firmen konkurrieren, die andere Fusionsdesigns verfolgen. Eines der beliebtesten Geräte ist der Tokamak, ein Gerät, das ein Magnetfeld erzeugt, um das durch eine Fusionsreaktion erzeugte brennende Plasma in einem donutförmigen „Torus“ einzuschließen. Diesen Ansatz verfolgt das weltgrößte Fusionsexperiment ITER im französischen Saint-Paul-lès-Durance.

Der alte Witz über die Fusionsenergie besagt, dass sie noch 50 Jahre entfernt ist und immer so bleiben wird. Viele Wissenschaftler gehen mittlerweile davon aus, dass das vordere Ende dieser Gleichung eher bei 20 bis 30 Jahren liegt, aber eigentlich ist es nur eine Frage der Finanzierung, sagt Pravesh Patel, ein ehemaliger Wissenschaftler am Lawrence Livermore National Lab, der derzeit als wissenschaftlicher Direktor bei Focused Energy in Austin fungiert , Texas, ein privates Laserfusionsunternehmen.

„Als Wissenschaftler halte ich Fusionsenergie für unvermeidlich“, sagt er. „Die Frage ist nur, wie schnell es funktionieren soll, und das hängt von den Ressourcen ab.“

Dieser Artikel wird mit Genehmigung reproduziert und erstmals am 26. April 2023 veröffentlicht.

Jeff Tollefsonarbeitet für das Nature-Magazin.

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