Was ist Trägheitsfusionsenergie?

Fusion ist ein natürliches Phänomen, das unseren Planeten mit einem Großteil seiner Energie versorgt – sie wird Millionen von Kilometern entfernt im Zentrum unserer Sonne erzeugt.

Hier auf der Erde versuchen Wissenschaftler, die heißen und dichten Bedingungen nachzubilden, die zur Fusion führen. Im Zentrum eines Sterns regen Gravitationsdrücke und hohe Temperaturen – etwa 200 Millionen Grad Fahrenheit – Atome an und drücken sie so eng zusammen, dass ihre Kerne verschmelzen und überschüssige Energie erzeugen.

„Das Endziel der Fusionsforschung besteht darin, einen Prozess zu reproduzieren, der ständig in Sternen abläuft“, sagt Arianna Gleason, wissenschaftliche Mitarbeiterin am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums. „Zwei leichte Atome kommen zusammen und verschmelzen zu einem einzigen schwereren, stabileren Kern. Dadurch wird überschüssige Masse – der eine Kern hat weniger Masse als die beiden, die ihn gebildet haben – in Energie umgewandelt und abtransportiert.“

Diese übrig gebliebene Masse (m) wird dank Einsteins berühmtem E=mc zu Energie (E).² Gleichung. Die Verwirklichung der Fusion auf der Erde ist überraschend einfach – und wurde in den letzten Jahrzehnten mit einer breiten Palette von Geräten mehrfach erreicht. Der schwierige Teil besteht darin, den Prozess autark zu gestalten, sodass ein Fusionsereignis das nächste antreibt und ein anhaltendes, „brennendes Plasma“ erzeugt, das letztendlich saubere, sichere und reichlich vorhandene Energie für das Stromnetz erzeugen könnte.

„Man kann sich das wie das Anzünden eines Streichholzes vorstellen“, erklärt Alan Fry. Projektleiter für SLACs Matter in Extreme Conditions Petawatt Upgrade (MEC-U). „Sobald die Flamme einmal entzündet ist, brennt sie weiter. Auf der Erde müssen wir die richtigen Bedingungen schaffen – eine sehr hohe Dichte und Temperatur –, damit der Prozess stattfinden kann, und eine Möglichkeit, dies zu erreichen, sind Laser.“

Hier kommt die Trägheitsfusionsenergie (IFE) ins Spiel, ein möglicher Ansatz zum Bau eines kommerziellen Fusionskraftwerks mit Fusionsbrennstoff und Lasern. IFE hat zunehmende nationale Unterstützung erhalten, da Wissenschaftler der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) wiederholt Fusionsreaktionen demonstriert haben, die zum ersten Mal auf der Welt zu einem Nettoenergiegewinn führten.

„Mit intensiven Laserstrahlen haben wir eine Zündung erreicht, was bedeutet, dass wir mehr Energie aus einem Fusionsziel herausgeholt haben, als die Laserenergie hineingesteckt hat“, erklärte Siegfried Glenzer, Professor für Photonenwissenschaft und Direktor der Wissenschaftsabteilung für hohe Energiedichte des SLAC.

Inertial Confinement Fusion: Wie es funktioniert

Die am NIF verwendete Technik, bekannt als Inertial Confinement Fusion, ist eine von zwei Hauptideen, die für die Schaffung einer Fusionsenergiequelle untersucht werden. Bei der anderen Methode, der so genannten magnetischen Einschlussfusion, werden Magnetfelder verwendet, um Fusionsbrennstoff in Form von Plasma einzuschließen.

Bei der Trägheitseinschlussfusion wird das Plasma mithilfe intensiver Laser und eines kleinen, mit Wasserstoff gefüllten Pellets erzeugt – typischerweise Deuterium und Tritium, Isotope mit einem bzw. zwei Neutronen im Kern. Das Pellet ist von einem leichten Material umgeben, das bei Erwärmung durch die Laser nach außen verdampft. Und wenn das passiert, kommt es zu einer inneren Reaktion, die eine Implosion auslöst.

„Das ist im Grunde eine kugelförmige Rakete“, erklärt Fry. „Indem es Abgase nach außen ausstößt, treibt es die Rakete in die entgegengesetzte Richtung. In diesem Fall drückt das verdampfte Material an der Außenseite des Pellets die Wasserstoffisotope in Richtung Mitte.“

Die Laser müssen präzise eingesetzt werden, um eine symmetrische Stoßwelle zu erzeugen, die sich in Richtung der Mitte des Wasserstoffgemisches bewegt und so die Temperatur und Dichte erzeugt, die zum Starten der Fusionsreaktion erforderlich sind. Bei NIF-Zündereignissen werden 192 Laserstrahlen verwendet, um diese Implosion zu erzeugen und die Isotope zu verschmelzen.

„Die Lasertechnologie und unser Verständnis des Fusionsprozesses haben sich so schnell weiterentwickelt, dass wir jetzt in der Lage sind, den Lasereinschluss zu nutzen, um aus jedem Fusionsereignis ein brennendes Plasma zu erzeugen“, sagte Gleason.

Schnellere und effizientere Laser

Aber es ist noch ein langer Weg. Laser, die zur Trägheitsfusionsenergie eingesetzt werden, müssen schneller feuern können und elektrisch effizienter werden, sagen die Experten.

Die Laser am NIF sind so groß und komplex, dass sie nur etwa dreimal am Tag feuern können. Um eine Energiequelle für Trägheitsfusionsenergie zu erreichen, sagte Glenzer, „brauchen wir Laser, die zehnmal pro Sekunde arbeiten können. Daher müssen wir die Ergebnisse der NIF-Fusion mit effizienten Laser- und Treibstoffzieltechnologien kombinieren.“

Fry verwendet die Analogie eines Kolbens in einem Autozylinder, um zu beschreiben, wie sich einzelne Fusionsreaktionen addieren, um eine anhaltende Energie zu erzeugen. „Jedes Mal, wenn Sie Kraftstoff einspritzen und entzünden, dehnt er sich aus und drückt den Kolben in Ihrem Motor“, sagte er. „Um Ihr Auto in Bewegung zu bringen, müssen Sie es immer und immer wieder mit Tausenden von Umdrehungen pro Minute – oder Dutzenden von Malen pro Sekunde – tun, und genau das müssen wir mit der Trägheitsfusionsenergie tun, um es in einen lebensfähigen, kontinuierlichen Zustand umzuwandeln.“ , nachhaltige Energiequelle.“

„Um den Energiegewinn zu erreichen, der für eine Pilot-Fusionsanlage erforderlich ist, müssen wir von etwa dem Doppelten der abgegebenen Energie – dem aktuellen Gewinn aus NIF-Experimenten – auf einen Energiegewinn umsteigen, der dem 10- bis 20-fachen der von uns zugeführten Laserenergie entspricht. “Glenzer sagte. „Wir haben Simulationen, die uns zeigen, dass das kein unvernünftiges Ziel ist, aber es wird eine Menge Arbeit erfordern, um dorthin zu gelangen.“

Darüber hinaus berücksichtigen diese aktuellen Schätzungen des Energiegewinns durch die Zündung nicht die gesamte Energie oder Elektrizität, die für den Laserschuss benötigt wurde. Um IFE zu einer Energielösung zu machen, muss das gesamte System bzw. die Effizienz der Steckdose erhöht werden, was Fortschritte in beide Richtungen erfordert: mehr Energie aus der Fusionsreaktion und weniger Energie in den Laser, sagt Fry.

Die kürzlich angekündigten, vom DOE gesponserten Wissenschafts- und Technologiezentren für Trägheitsfusionsenergie bündeln das Fachwissen mehrerer Institutionen, um diese Herausforderungen zu bewältigen.

SLAC ist Partner in zwei der drei Hubs und bringt das Fachwissen und die Fähigkeiten des Labors in Laserexperimenten mit hoher Wiederholungsrate, Lasersystemen und allen begleitenden Technologien ein.

„Eine aufregende Entwicklung sind die neuen Laseranlagen, die an der Colorado State University und am SLAC geplant sind“, sagt Glenzer, stellvertretender Direktor des von der CSU geleiteten RISE-Hubs. Die Hochleistungslaseranlage an der CSU und das MEC-U-Projekt an der Linac Coherent Light Source des SLAC werden auf der neuesten Laserarchitektur basieren und Laserimpulse mit 10 Schüssen pro Sekunde liefern.

„LCLS betreibt seit zehn Jahren Laser mit mehr als 100 Schüssen pro Sekunde, und das bedeutet, dass wir über eine sehr starke Technologiekompetenz bei der Durchführung von Experimenten mit hoher Wiederholungsrate verfügen“, sagte Glenzer. „Wir haben neue Ziele, Diagnosegeräte und Detektoren entwickelt, die sich die hohen Wiederholungsraten zunutze machen können und die in diesem Bereich ziemlich einzigartig sind und gut zu dem passen, was wir mit IFE erreichen wollen.“

Aber es gibt noch viel zu lernen, wie man ein Ziel in der Mitte einer Kammer zehnmal pro Sekunde so präzise trifft, dass die Zieltrümmer und die Fusionskraft die Laser oder die Zieleinführung nicht beeinträchtigen oder beschädigen.

Als Partner im von LLNL geleiteten STARFIRE-Hub wird SLAC zur Erstellung detaillierter technischer Anforderungen für Lasersysteme für IFE beitragen, die eng mit denen verknüpft sind, die für das laufende MEC-U-Projekt am SLAC gebaut werden sollen, sagt Fry.

„Die fortschrittlichen Laser am MEC-U werden eine effizientere Art der Energiezufuhr zum Laser und ein fortschrittliches Kühlsystem nutzen, um mit einer höheren Wiederholungsrate zu arbeiten. Die Technologien, die wir entwickeln, und die wissenschaftlichen Fragen, die wir damit beantworten können, sind.“ überzeugend für IFE.“

Darüber hinaus können die ultrahellen Röntgenstrahlen von LCLS Wissenschaftlern dabei helfen zu verstehen, was im Wasserstoffbrennstoff während der Fusion passiert oder was in dem Material passiert, das vom Pellet weggeblasen wird und die Implosion verursacht.

Materialien – und Menschen – einsetzen

Tatsächlich spielen Materialien eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von IFE, sagt Gleason. „Laser zu verwenden, um ein Ziel gleichmäßig und kugelförmig zu implodieren, ist so schwierig, weil Materialien immer fehlerhaft sind: Es gibt eine Versetzung, einen Defekt, eine chemische Inhomogenität, eine Oberflächenrauheit, eine Porosität auf der Mesoskala. Kurz gesagt, es gibt immer Variationen und Defekte.“ Materialien.”

Eines der Dinge, die ihr besonders am Herzen liegen, ist ein besseres Verständnis der mit IFE verbundenen Materialien auf atomarer Ebene, um physikalische Modelle für bestimmte IFE-Designs zu testen und zu verfeinern, sagte sie.

„Bei SLAC verfügen wir über phänomenale Werkzeuge, um tief in Materialien zu blicken. Indem wir die Physik von Unvollkommenheiten verstehen, können wir ihre „Fehler“ in Merkmale umwandeln, die bei ihrem Design berücksichtigt werden können – wir können viele Knöpfe drehen, um die Komprimierung abzustimmen im Fusionsprozess.“

Eine weitere große Herausforderung, der sich alle drei Forscher stellen möchten, ist der Aufbau der Arbeitskräfte, die für die Forschung und den Betrieb der Fusionsenergieanlagen der Zukunft erforderlich sind.

Die Hubs beinhalten die Finanzierung der studentischen Beteiligung, sagte Glenzer. „Wir werden die nächste Generation von Wissenschaftlern und Technikern ausbilden, um diese neuen Fähigkeiten zu nutzen.“

Fry und Gleason legen außerdem großen Wert darauf, Menschen für diesen Bereich zu gewinnen, damit die Fusionsenergie, während sie sich entwickelt, ein integratives Unterfangen ist.

„Wir werden Ingenieure, Techniker, Bediener, Personal- und Beschaffungsfachleute usw. brauchen“, sagte Gleason. „Ich denke, viele junge Menschen können sich hinter die Kernfusion stellen und sich gestärkt fühlen, wenn sie etwas tun, das die Klimakrise zurückdrängt – sie wollen eine Veränderung in ihrem Leben erleben.“

Glenzer ist davon überzeugt. „Man hatte spekuliert, dass der Bau eines Fusionskraftwerks 30 Jahre dauern würde, aber der jüngste Durchbruch bei der Zündung brachte diese Aussicht näher an die Realität. Wir haben den Fusionsgewinn in den letzten 10 Jahren unserer Arbeit am NIF bereits um 1.000 gesteigert.“ er sagte.

„Das Potenzial für eine saubere, gerechte und reichlich vorhandene Energiequelle – und all die Wissenschaft und Technologie, die mit der Entwicklung der Fusionsenergie einhergeht – ist sehr aufregend.“

LCLS ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science. Die Fusionsenergiezentren wurden durch das Inertial Fusion Energy Science & Technology Accelerator Research (IFE-STAR)-Programm des DOE gebildet.