Tatsächlich war die Errungenschaft der Fusionszündung und Energierückgewinnung im intensivsten Laser der Welt Ende letzten Jahres eine große wissenschaftliche Errungenschaft. Doch die Fusion als praktische Energiequelle wäre weit entfernt, wenn nicht sogar eine Sackgasse. Die Mehrheit der Wissenschaftler ist sich einig, dass die Strategie, die an der National Ignition Facility (NIF), wo der Fusionsmeilenstein stattfand, angewendet wurde, wahrscheinlich kein lasergesteuertes Fusionskraftwerk bauen wird, selbst wenn es schließlich Realität wird.
Deuterium-Tritium-Brennstoff
Der Schuss, der im Dezember stattfand, brachte Skeptiker zum Schweigen, die sagten, dass kleine Deuterium-Tritium-Kapseln niemals mit einem Laser gezündet werden könnten, der die 2-fache Energie von 1,5 MJ erzeugt, die mit Fusionsbrennstoff abgefeuert werden.
Stephen Bodner, pensionierter Leiter der Laserfusionsabteilung des US Naval Research Laboratory und ehemaliger entschiedener Gegner der NIF-Strategie, glaubt, dass sie Zündung und Verbrennung demonstriert haben, und dies ist eine sehr wichtige Errungenschaft.
Trotz der Übertreibung rund um die Ankündigung betrug die Fusionsenergieausbeute aus dem erfolgreichen Schuss weniger als 192% der 300 MJ, die aus dem Netz verwendet wurden, um den 1-Strahl von NIF mit Energie zu versorgen. Und die freigesetzte Energie reichte aus, um zehn Wasserkocher zu erhitzen. Nach Ansicht vieler Wissenschaftler muss der Energiegewinn aus Fusionsreaktionen mindestens 100-mal größer sein als die in der Brennstoffkapsel gespeicherte Energie (oder doppelt so viel wie der NIF-Schuss), damit die Fusion wirtschaftlich rentabel ist.
Laut Bedros Afeyan, einem Berater, der in drei nationalen Laboratorien in der Fusionsforschung und -entwicklung gearbeitet hat, ist IFE aufgrund des Erfolgs von NIF nun zu 10 % auf dem Weg zur Kommerzialisierung.
Im Gegensatz zu den wenigen Stunden zwischen NIF-Schüssen muss ein IFE-Kraftwerk mindestens alle paar Sekunden einen Laser abfeuern. Die Maschine muss auch ihren eigenen Kraftstoff produzieren; Dieser Brennstoff wird dann in eine extrem heiße Reaktorkammer gepumpt und dann in extrem kleine Kapseln geladen, die irgendwie für kurze Zeit auf kryogenen Temperaturen gehalten werden müssen. Darüber hinaus muss die Anlage kostengünstig Wasserstoff, Strom oder industrielle Prozesswärme produzieren.
Da sich die IFE-Entwickler von NIF entfernen, das geschaffen wurde, um Nuklearwaffenoperationen und nicht die Stromerzeugung zu modellieren, müssen mindestens drei grundlegende Fragen beantwortet werden. Soll erstens die indirekte Antriebsmethode von NIF nachgeahmt werden, bei der das Licht zunächst in Röntgenstrahlen umgewandelt und die Pellets zerkleinert wird, oder soll das Licht des Lasers die Treibstoffkapseln direkt zur Detonation bringen? Zweitens, welche Art von Laser kann dies am besten tun? Was ist der kostengünstigste Weg, Targets mit DT-Treibstoff zu entwerfen und in Serie zu produzieren? Antworten auf diese Bedenken werden entscheidend sein, wenn die Laserfusion erschwinglich gemacht werden kann.
Der Direktantrieb wird von zwei US-Startups, Focused Energy und LaserFusionX, betrieben, die verschiedene Lasertypen verwenden. Das in Orinda, Kalifornien, ansässige Longview Fusion Energy Systems entwickelt eine vollständig indirekte Antriebsstrategie im NIF-Stil. Eine indirekt-direkte Hybridstrategie wurde von Xcimer Energy mit Sitz in Redwood City, Kalifornien, entwickelt.
Nach Ansicht vieler Laserexperten kann der indirekte Antrieb nicht effizient genug gemacht werden, um den Verstärkungsgrad zu erreichen, der erforderlich ist, um Strom zu vernünftigen Kosten zu erzeugen. Laut Michael Campbell, emeritierter Direktor des Laser Energetic Laboratory der University of Rochester, werden UV-Strahlen absorbiert und Röntgenstrahlen innerhalb des Hohlzylinders oder Hohlraums emittiert, der die Fusionsbrennstoffkapsel umgibt, aber viel Laserenergie geht verloren.
Der indirekte Antrieb erfordert ausgefeiltere Ziele und sie sind wahrscheinlich teurer als die einfachen kugelförmigen Brennstoffkapseln, die der Direktantrieb bietet. NIF-Targets kosten jeweils mindestens 10.000 US-Dollar und werden nicht in Massenproduktion hergestellt. Jedes der Hunderttausenden von einzelnen Zielen, die jeden Tag gesprengt werden müssen, müsste weniger als 1 Dollar kosten, um wirtschaftlich rentabel zu sein. Afeyan empfiehlt, das Tordesign so einfach wie möglich zu halten. „Überspringen Sie den indirekten Treiber. Das ist nicht möglich“, sagt er.
Kapseln, die kryogenen DT-Brennstoff tragen, können einen gewissen Schutz vor den Hohlräumen des indirekten Antriebs haben, während sie schnell in die Zielkammer eingespritzt werden. Von Hohlraumausbrüchen zurückgelassene Trümmer können sich jedoch schnell ansammeln und ein Reinigungsproblem darstellen.
Ein Großteil der Direktantriebsforschung wurde im vom Department of Energy finanzierten Laser Energy Laboratory durchgeführt, in dem sich auch der Omega-Laser befindet. Bei der Arbeit mit direkten Treibern ist es den Forschern bisher nicht gelungen, Explosionen mit der exakten Symmetrie zu erzeugen, die für die Zündung erforderlich ist. Je leistungsstärker der Laser ist, desto weniger Präzision ist laut Campbell für direkt ausgelöste Explosionen erforderlich, die zu Zündung und Verstärkung führen.
Mit einer Lichtleistung von nur 25 KJ ist die Omega laut Campbell ohnehin unzureichend. Eine weitere Forschungsanlage mit ausreichender Energie muss gebaut werden, damit die Plasmen im Direktantriebsmodus gezündet werden können.
Quelle und weiterführende Literatur: Physics Today – physicaltoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.5195
Günceleme: 13/03/2023 16:29