Am 19. September 2022 gelang Forschern an der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ein Durchbruch: Sie erzeugten einen Schuss Laserenergie, der eine Fusionsenergieausbeute von rund 1,2 Millionen Joule einbrachte. Verglichen mit dem vorherigen Experiment vom 8. August 2021 wurden diesmal eine höhere Laserenergie und ein anderer Versuchsaufbau verwendet. Frühere Versuche, den NIF-Schuss zu wiederholen, wurden größtenteils durch die Auswirkungen winziger Unvollkommenheiten in den Kohlenstoff- oder Diamantkapseln der Targets verhindert.
Die NIF-Physik-, Optik- und Laserteams entwickelten deshalb einen Ansatz, um die Vorgänge weniger empfindlich gegenüber Defekten zu machen. Hierzu verwendeten sie unter anderem eine dickere Kapsel. „Die dickere Kapsel verbessert die hydrodynamische Stabilität und bietet mehr Spielraum für die Zündung des Hotspots bei Störungen, die die Hotspot-Energie verringern“, erklärt Annie Kritcher, leitende Entwicklerin des Experiments. „Das neue Design bietet auch eine höhere Flächendichte während der Implosion, was die Richtung ist, in die wir gehen wollen, um den Abbrandanteil des Brennstoffs zu erhöhen.“
Zwei Störeinflüsse reduziert
Der Schuss konnte nach monatelangen Analysen von vier früheren Wiederholungsexperimenten die zwei Haupthindernisse vom 8. August überwinden. Das waren einmal das Material in der Zielkapsel, das den heißen Punkt der Fusion verunreinigt, und Asymmetrien in der Implosion. Beides führt zum Verlust der für die Fusionsreaktion benötigten Energie.
Bei dem Experiment am 19. September erhöhten die Laserbetreiber die Laserenergie des NIF von 1,92 MJ beim Schuss am 8. August auf 2,08 MJ, etwas mehr, als die Forscher gefordert hatten. Dies war der erste Schuss, der mehr als 2 MJ ultraviolette Energie an ein Trägheitsfusionsziel lieferte.
Der Schuss verfügte über sieben Prozent mehr Energie am Ende des Laserpulses, wodurch die Kompression erhöht, zusätzliche Energie im zentralen Hotspot der Targetkapsel konzentriert und mehr Fusionsreaktionen erzeugt wurden, die zu einer höheren Energieausbeute führten als bei den vorherigen Experimenten. Um die zusätzliche Energie effektiv zu nutzen und den Brennstoff besser vor Instabilität zu schützen, war die Kapsel acht Prozent dicker als die im Jahr 2021.
Der Schuss mit höherer Energie wurde ebenfalls durch die Einführung mehrerer Technologien zur Schadensverringerung durch Trümmer ermöglicht, wie Bruno Van Wonterghem, Leiter des NIF-Betriebs, ergänzt. Dazu gehörten die Installation von 80 zusätzlichen Trümmerschutzschilden aus Quarzglas für insgesamt 128 der 192 Strahlrohre sowie eine mechanische Abschirmung in den unteren Gehäusen der Endoptik des Lasers. Weitere Veränderungen betrafen laut Van Wonterghem das Sub-Nanosekunden-Laserkonditionierungssystem, die Wiederinbetriebnahme der Station zur Begrenzung von Kristallschäden und die Reinigungsprozesse für die Optiken.
Verständnis der Schwankungen
Von den vier Nachfolgeexperimenten vor dem 19. September erreichte die beste Implosion im November 2021 nur etwa die Hälfte des Energieertrags des Experiments vom 8. August 2021. Um herauszufinden, warum das so ist, haben die Forscher des LLNL und ihre Partner aus anderen ICF-Einrichtungen eine Reihe von Workshops abgehalten, um die Ursachen für die inhärenten Schwankungen bei den Laser- und Zielbedingungen besser zu verstehen.
„Implosionen sind wirklich effektive Druckverstärker; das ist ihr Hauptzweck“, sagt der leitende Wissenschaftler des ICF Omar Hurricane. „Wir versuchen, im Zentrum der Implosion einen Druck von mehr als 500 Milliarden Atmosphären zu erzeugen – das Doppelte des Drucks im Zentrum der Sonne. Der Nachteil ist jedoch, dass die Implosion bei dem Versuch, den Druck zu verstärken, auch jedes kleine Problem in der Umgebung der Kapsel stark vergrößert. Ein winziger Defekt an der Oberfläche der Kapsel zu Beginn der Implosion, der kaum sichtbar ist, kann zu einem gigantischen Materialstrahl werden, der in das Zentrum der Kapsel, das Herz der Implosion, stürzt, wenn wir den höchsten Druck erreicht haben.“
Ein Schlüssel zum Erfolg des letztjährigen Experiments war die hohe Qualität der verwendeten Kapsel, die weitaus weniger Defekte aufwies als frühere oder spätere Modelle. Die unzureichende Leistung der Wiederholungsschüsse, obwohl Kapseln aus derselben Charge wie beim Experiment vom 8. August eingesetzt wurden, veranlasste die Mitglieder des LLNL-Target-Fabrication-Teams, die Faktoren zu untersuchen, die die Qualität der Kapseln beeinflussen. Dazu gehörten beispielsweise Löcher an und Hohlräume unter der Oberfläche.
Die Analyse ergab, dass die in den Wiederholungsexperimenten verwendeten Kapseln eine größere Anzahl von Einschlüssen aufwiesen, als bisher bekannt war. Eine genauere Untersuchung ergab außerdem, dass fast alle neueren Kapselchargen „blütenblattförmige“ Defekte aufwiesen, die durch die Überbeschichtung von Trümmern entstanden, die während der Beschichtung in die Kapsel eingebettet wurden. Es wird vermutet, dass solche Fehler in mehr als 20 neueren Kapselchargen vorhanden sind.
„Die Blütenblätter sind das Ergebnis einer Knötchenbildung“, erklärt Michael Stadermann, Target Fabrication Program Manager. „Ein Knötchen entsteht, wenn man einen Samen am Boden hat und der Diamant blütenblattförmig um ihn herum wächst. Wir haben schon immer Knötchen gehabt, wir haben nur nie gesehen, dass sie sich auf diese Weise ausdrücken.“
Zu den möglichen Ursachen für die Aussaat zählt Stadermann Abrieb, wenn die Kapseln während des Beschichtungsprozesses aneinander reiben, sowie Rückstände aus der Zersetzung des Wolfram-Dotierstoffs der Kapsel, wenn dieser in die wachsende Hülle injiziert wird. Die Kapseln sind mit einer geringen Menge Wolfram dotiert, um Röntgenstrahlen zu absorbieren, die die kryogene Eisschicht des Brennstoffs erhitzen könnten.
„Wanderkapseln“ gegen Blütendefekte
Als kurzfristige Lösung für das Problem hat das Target-Fabrication-Team ein Verfahren zur Herstellung sogenannter wandernder Schalen entwickelt. „Die Kapseln [...] weisen nicht den gleichen Grad an Einschlüssen auf wie die von Diamond Materials, und soweit wir wissen, weisen sie überhaupt keine Blütenblätter auf“, erklärt Stadermann. „Also sagten wir: ,Warum machen wir nicht die dotierten Schichten und lassen Diamond Materials den Rest machen?‘“
In dem iterativen Prozess nutzt das Livermore-Team die Diamantbeschichtungsanlage des Labors, um die Kapselhüllen bis zur dotierten Schicht mit plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung herzustellen. Anschließend werden sie an Diamond Materials geschickt, um poliert, geformt und mit einer weiteren Diamantschicht versehen zu werden. Danach gehen sie zur Reinigung und Beschichtung zurück nach Livermore, um dann für eine weitere Diamantschicht und die Endpolitur nach Deutschland zu kommen. Schließlich werden die Schalen zu General Atomics geschickt, um ihre Qualität zu bestimmen und die winzigen Füllrohre anzubringen, mit denen der Wasserstofftreibstoff in die Kapseln eingespritzt wird, worauf sie in einem letzten Schritt in Livermore dann in Hohlräume eingesetzt werden.
„Wir werden eine Handvoll Chargen von sechs oder acht Stück herstellen, um genügend Schalen für die Anfang Januar beginnenden Experimente zu haben“, sagt Stadermann. „Im weiteren Verlauf könnten wir feststellen, dass es noch andere Dinge gibt, die von Bedeutung sind, und dass die Dinge, die wir für wichtig hielten, nicht ganz so wichtig sind. Es wird also ein Prozess sein. Aber ich bin optimistischer, dass wir einer Lösung näher sind als noch vor zwei Monaten.“
3 MJ möglich?
Mit zusätzlichen optischen Verbesserungen und Laser-Upgrades erwarten die Forscher, dass die NIF im kommenden Jahr eine Energie von 2,2 MJ und eine Spitzenleistung von 480 Billionen Watt erreichen wird. Später in diesem Jahrzehnt sollen es möglicherweise sogar 2,6 bis 3 MJ sein. NIF-Leiter Bruno Van Wonterghem sagt abschließend: „An dieser Laserleistung wurde lange gearbeitet. Und dieser Schuss ist erst der Anfang einer neuen Stufe des ICF-Betriebs.“
