Vorverstärker, die Laserstrahlen in der National Ignition Facility verstärken. (LLNL/Damien Jemison) Bei der Suche nach Fusionsenergie wurde ein wichtiger Meilenstein durchbrochen.
Zum ersten Mal hat eine Fusionsreaktion eine Rekord-Energieausbeute von 1,3 Megajoule erreicht – und zum ersten Mal mehr als die Energie, die der für ihre Auslösung verwendete Brennstoff absorbiert.
Auch wenn noch ein langer Weg vor uns liegt, stellt das Ergebnis eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu früheren Erträgen dar: achtmal höher als bei Experimenten, die nur wenige Monate zuvor durchgeführt wurden, und 25-mal höher als bei Experimenten, die 2018 durchgeführt wurden. Es ist eine riesige Leistung.
Physiker der National Ignition Facility am Lawrence Livermore National Laboratory werden einen Artikel für einreichen Peer-Review .
„Dieses Ergebnis ist ein historischer Fortschritt für die Forschung zur Trägheitsfusion und eröffnet ein grundlegend neues Regime für die Erforschung und die Weiterentwicklung unserer wichtigen nationalen Sicherheitsmissionen.“ „Es ist auch ein Beweis für die Innovation, den Einfallsreichtum, das Engagement und den Mut dieses Teams und der vielen Forscher auf diesem Gebiet, die dieses Ziel im Laufe der Jahrzehnte unerschütterlich verfolgt haben“, sagte Kim Budil , Direktor des Lawrence Livermore National Laboratory.
„Für mich zeigt es eine der wichtigsten Aufgaben der nationalen Labore – unser unermüdliches Engagement, die größten und wichtigsten wissenschaftlichen Herausforderungen anzugehen und Lösungen zu finden, wo andere von den Hindernissen möglicherweise abgeschreckt werden.“
Bei der Trägheitseinschlussfusion entsteht so etwas wie ein winziger Stern. Es beginnt mit einer Treibstoffkapsel, die aus Deuterium und Tritium – den schwereren Wasserstoffisotopen – besteht. Diese Treibstoffkapsel wird in einer hohlen Goldkammer platziert, die etwa die Größe eines Radiergummis hat und Hohlraum genannt wird.
Dann werden 192 Hochleistungslaserstrahlen auf den Hohlraum gestrahlt, wo sie in Röntgenstrahlen umgewandelt werden. Diese Röntgenstrahlen implodieren die Treibstoffkapsel, erhitzen und komprimieren sie auf Bedingungen, die mit denen im Zentrum eines Sterns vergleichbar sind – Temperaturen über 100 Millionen Grad Celsius (180 Millionen Fahrenheit) und Drücke über 100 Milliarden Erdatmosphären – und drehen den Treibstoff um Kapsel in einen winzigen Plasmaklumpen.
Und so wie Wasserstoff im Herzen eines Hauptreihensterns zu schwereren Elementen verschmilzt, so verschmelzen auch Deuterium und Tritium in der Treibstoffkapsel. Der gesamte Vorgang vollzieht sich in nur wenigen Milliardstelsekunden. Ziel ist die Zündung – ein Punkt, an dem die durch den Fusionsprozess erzeugte Energie den gesamten Energieeintrag übersteigt.
Das am 8. August durchgeführte Experiment scheiterte Nur knapp unter dieser Marke; Der Input der Laser betrug 1,9 Megajoule. Dennoch ist es ungeheuer spannend, denn den Messungen des Teams zufolge nahm die Treibstoffkapsel mehr als fünfmal weniger Energie auf, als sie bei der Fusion erzeugte.
Dies, so das Team, sei das Ergebnis sorgfältiger Arbeit an der Verfeinerung des Experiments, einschließlich des Designs des Hohlraums und der Kapsel, verbesserter Laserpräzision, neuer Diagnosewerkzeuge und Designänderungen, um die Geschwindigkeit der Implosion der Kapsel zu erhöhen, die mehr überträgt Energie zum Plasma-Hotspot, an dem die Fusion stattfindet.
„Der experimentelle Zugang zur thermonuklearen Verbrennung im Labor ist der Höhepunkt jahrzehntelanger wissenschaftlicher und technologischer Arbeit, die sich über fast 50 Jahre erstreckt.“ sagte Thomas Mason , Direktor des Los Alamos National Laboratory.
„Dies ermöglicht Experimente, die Theorie und Simulation im Bereich hoher Energiedichte strenger als je zuvor überprüfen und grundlegende Errungenschaften in der angewandten Wissenschaft und Technik ermöglichen.“
Das Team plant, Folgeexperimente durchzuführen, um zu sehen, ob sich die Ergebnisse wiederholen lassen, und um den Prozess detaillierter zu untersuchen. Das Ergebnis eröffnet auch neue Wege für die experimentelle Forschung.
Außerdem wollen die Physiker herausfinden, wie sich die Energieeffizienz weiter steigern lässt. Bei der Umwandlung des Laserlichts in Röntgenstrahlen im Hohlraum geht viel Energie verloren; Ein großer Teil des Laserlichts geht stattdessen in die Erwärmung der Hohlraumwände. Die Lösung dieses Problems wird uns der Fusionsenergie einen weiteren großen Schritt näher bringen.
Mittlerweile herrscht bei den Forschern jedoch große Aufregung.
„Die Zündung in einem Labor zu erreichen, bleibt eine der großen wissenschaftlichen Herausforderungen dieser Ära und dieses Ergebnis ist ein bedeutender Schritt vorwärts auf dem Weg zu diesem Ziel.“ sagte der Physiker Johan Frenje des Plasma Science and Fusion Center des MIT.
„Es ermöglicht auch die Erforschung eines grundlegend neuen Regimes, das experimentell äußerst schwer zugänglich ist, und erweitert unser Verständnis der Prozesse der Fusionszündung und -verbrennung, was für die Validierung und Verbesserung unserer Simulationswerkzeuge zur Unterstützung der Lagerverwaltung von entscheidender Bedeutung ist.“
„Darüber hinaus ist das Ergebnis historisch, da es den Höhepunkt vieler Jahrzehnte harter Arbeit, Innovation und Einfallsreichtum, Teamarbeit im großen Maßstab und unermüdlicher Konzentration auf das ultimative Ziel darstellt.“
Das Team präsentierte seine Ergebnisse auf der 63. Jahrestagung der APS-Abteilung für Plasmaphysik .