Als das Wissenschaftlerteam der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Lab (LLNL) im August 2022 einen Schuss abfeuerte, der eine Ausbeute von 1,35 Megajoule (MJ) Fusionsenergie mit 1,9 MJ Laserenergie erreichte, war das ein lang erwarteter wissenschaftlicher Durchbruch, der den Fusionsbrand signalisierte.
Später im selben Jahr erreichten Wissenschaftler bei einem weiteren Experiment zur Trägheitsfusion (auch bekannt als laser-getriebene Fusion) eine Ausbeute von 3,15 MJ Fusionsenergie mit 2,05 MJ Laserenergie und erreichten die Zündung. Es handelte sich um eine im Labor erzeugte thermonukleare Fusionsreaktion-und sie löste einen globalen Wettlauf aus, um bis in die 2030er oder 2040er Jahre kohlenstofffreie, laserbetriebene Fusionsenergie ans Netz zu bringen.
„Dies war ein Wendepunkt, als NIF erstmals erfolgreich zeigte, dass Trägheitsfusion möglich ist. Der Schlüssel liegt darin, die richtige Art von Brennstoff -Deuterium-Tritium-zu haben und Laser zu verwenden, um ihn zu komprimieren und zu verschmelzen, um einen Gewinn zu erzeugen (mehr Energie wird ausgegeben als zugeführt)“, sagt Arianna Gleason, wissenschaftliche Mitarbeiterin und stellvertretende Direktorin der Abteilung für Hochenergiedichtewissenschaften des SLAC. „Es ist, als würde man den Treibstoff eines Sterns -nur für den Bruchteil einer Sekunde in einem Labor aufrechterhalten.“
Als das Wissenschaftlerteam der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Lab (LLNL) im August 2022 einen Schuss abfeuerte, der eine Ausbeute von 1,35 Megajoule (MJ) Fusionsenergie mit 1,9 MJ Laserenergie erreichte, war das ein lang erwarteter wissenschaftlicher Durchbruch, der den Fusionsbrand signalisierte.
Später im selben Jahr erreichten Wissenschaftler bei einem weiteren Experiment zur Trägheitsfusion (auch bekannt als laser-getriebene Fusion) eine Ausbeute von 3,15 MJ Fusionsenergie mit 2,05 MJ Laserenergie und erreichten die Zündung. Es handelte sich um eine im Labor erzeugte thermonukleare Fusionsreaktion-und sie löste einen globalen Wettlauf aus, um bis in die 2030er oder 2040er Jahre kohlenstofffreie, laserbetriebene Fusionsenergie ans Netz zu bringen.
„Dies war ein Wendepunkt, als NIF erstmals erfolgreich zeigte, dass Trägheitsfusion möglich ist. Der Schlüssel liegt darin, die richtige Art von Brennstoff -Deuterium-Tritium-zu haben und Laser zu verwenden, um ihn zu komprimieren und zu verschmelzen, um einen Gewinn zu erzeugen (mehr Energie wird ausgegeben als zugeführt)“, sagt Arianna Gleason, wissenschaftliche Mitarbeiterin und stellvertretende Direktorin der Abteilung für Hochenergiedichtewissenschaften des SLAC. „Es ist, als würde man den Treibstoff eines Sterns -nur für den Bruchteil einer Sekunde in einem Labor aufrechterhalten.“
Fortschritte in der Laserarchitektur für die Fusion
NIF wurde in den 1990er Jahren gebaut und verfügt über die damalige Lasertechnologie. „Wir bauen Laser heute viel effizienter als in den 1990er Jahren. Unsere Technologie ist so weit fortgeschritten, dass wir hocheffiziente Laser mit Wiederholraten haben können, die wir für die Fusion benötigen -viele Schüsse pro Sekunde“, sagt Glenzer. „Interessanterweise werden die Mikrochips in iPhones mit Lasertechnologie hergestellt, die tatsächlich aus dem Laserfusionsprogramm hervorgegangen ist. Es war der erste kommerzielle Erfolg der Laserfusion.“
Innerhalb der Fusionsgemeinschaft entfernt sich die Lasertechnologie langsam von älteren Architekturen, die in der Vergangenheit funktionierten. -Die auf Blitzlampen-gepumpten oder auf Blitzlampen basierenden Laser waren „ein sehr starkes Arbeitstier“, sagt Gleason. „Aber wir brauchen effizientere Laser, deshalb verwenden wir diodengepumpte Festkörperlaser (DPSSLs).“
Dies bedeutet, dass die Lieferkette für DPSSL-Laser aufgebaut werden muss, da sich alle für die erforderlichen Tests auf die IFE-Standard-Laserplattform konzentrieren. „Faser-gekoppelte Laser sind eine Methode, um Licht von einem Ort zum anderen zu transportieren, die in der Telekommunikation allgegenwärtig eingesetzt wird. Da die Fusionsgemeinschaft jedoch versucht, die Vorteile der aktuellen Generation von Laserarchitekturen zu nutzen und wir größere Laser bauen, müssen wir stärker darauf achten, wie die Dinge gekühlt werden. Es ist ein Innovationsraum für Unternehmen“, sagt Gleason.
Excimer-Laser verwenden Gas als Medium und „haben beim Verteidigungsministerium (DoD) eine lange Geschichte für gerichtete -Energiewaffen“, sagt Gleason. „Es ist auch die Grundlage für ein Fusionskonzept. Große Fortschritte werden bei Excimer-Lasern gemacht, die auf jahrzehntelanger Physik und Studien basieren. Wir machen Fortschritte, um einen so leistungsstarken Laser zu haben-vielleicht auf kleinerer Grundfläche oder mit besserer Effizienz. Wie kühlt man eine so große Laserstruktur? Das sind Orte, an denen private Unternehmen ihre eigene geheime Soße entwickeln können.“
STARFIRE- und RISE-Fusionszentren
Der Fusionsknotenpunkt STARFIRE wird von LLNL gemeinsam mit SLAC geleitet, um lasergesteuerte Fusionsenergie zu kommerzialisieren. Der Schwerpunkt liegt auf High-Gain-Target-Designs, Target-Herstellung und DPSSLs. Zu den Mitgliedern gehören MIT; Universität von Kalifornien, Berkeley; Universität von Kalifornien, Los Angeles; Universität von Kalifornien, San Diego; Universität von Oklahoma; Universität Rochester; Texas A&M; Fraunhofer-Institut für Lasertechnik; Livermore Lab Foundation; Oak Ridge National Laboratory; Savannah River National Laboratory; Focused Energy Inc.; Allgemeine Atomtechnik; Leonardo Electronics USA; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; und Xcimer Energy Corp.
Das Team hat Zugang zu den Laserlabors am SLAC und hat daher die Möglichkeit, die Linac Coherent Light Source (LCLS), den einzigen röntgenfreien-Elektronenlaser (XFEL) in den USA, zu nutzen, um Kapselmaterialien oder den Fusionsbrennstoff zu untersuchen und zu untersuchen. Es arbeitet mit 120 Hz, wird aber bald im Megahertz-Bereich arbeiten.
„Wir verwenden in unseren Experimenten am SLAC zwei Laser gleichzeitig. Ein Langpulslaser treibt Stoßwellen in die Probe, und dann untersuchen wir sie mit dem LCLS, um zu sehen, was auf kleinsten Längen- und Zeitskalen passiert, um unsere physikalischen Modelle zu verbessern“, sagt Gleason. „Wir müssen Äpfel mit Äpfeln vergleichen, um zu beurteilen, ob unser physikalisches Modell korrekt ist. Es untermauert nicht nur die Anforderungen der nationalen Labore, sondern gibt privaten Unternehmen auch die Möglichkeit, vorherzusagen, ob ein Teil ihres Konzepts funktionieren wird oder nicht (z. B. wie sie ihren Zielangriff simulieren). Und wir stellen ihnen diese entscheidenden Daten zur Verfügung, indem wir unseren Zugang zu verschiedenen Laser- und Instrumentenplattformen nutzen.“
Ein weiterer Hub, RISE, wird von SLAC und der Colorado State University geleitet und umfasst Experten der Cornell University, der University of Illinois, Texas A&M, des Los Alamos National Laboratory, des Naval Research Laboratory und privater Unternehmen -Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion und General Atomics-, die an verschiedenen Ansätzen für einen Lasertreiber arbeiten.
„Alle haben einen glaubwürdigen Ansatz“, sagt Glenzer. „Aber es ist nicht so, dass ein Unternehmen versucht, alles möglich zu machen-Dies ist eine Gemeinschaft und ein landesweites Fusionszentrum. Forscher versuchen, die Technologien voranzutreiben, und wir lernen voneinander, um zu versuchen, die Forschungs- und Technologielücken bis in die 2030er Jahre zu schließen.“
Glenzer wird häufig von Investoren gefragt, welches Fusionsunternehmen unterstützt werden soll. „Einige der Laserfirmen können viel früher Geld verdienen, indem sie Laser liefern, um Drohnen im Verteidigungsbereich abzuschießen“, sagt er. „Aber den Investoren gefällt die Idee nicht wirklich, weil sie einen Markt wollen, der nur Fusion und Strom bedient. Sie wollen eigentlich, dass diese Unternehmen Fusion betreiben, damit sie Strom verkaufen können. Es ist wirklich interessant, wie sehr sie sich darauf konzentrieren, die Fusion zu verwirklichen.“
Die Fusionsgemeinschaft ist „sich der Anforderungen an die Lieferkette sehr bewusst, die Fusionsunternehmen stellen müssen, um nicht nur über die Ressourcen zu verfügen, um nicht nur ihre Demo-Pilotpläne aufzubauen, sondern auch über eine langfristige Flotte von Reaktoren zu verfügen“, sagt Gleason. „Es handelt sich um einen vielschichtigen Ansatz im Hinblick darauf, wo wir die Rohstoffe beschaffen und dann in den USA Komponenten herstellen können, um eine inländische Lieferkette aufzubauen. Das ist der Schlüssel.“
2030er oder 2040er Jahre für eine Fusionspilotanlage?
Öffentlich{0}private Partnerschaften und Finanzierung sind von entscheidender Bedeutung, um in den 2030er Jahren auch nur annähernd die lasergesteuerte Kernfusion ans Netz zu bringen.
„Unsere Aufgabe besteht in erster Linie darin, die kritische Technologie zu unterstützen und das Risiko zu verringern, die die Fusionsindustrie/private Unternehmen benötigen“, sagt Gleason. „Aber einige Unternehmen sagen, dass sie damit in den 2030er Jahren rechnen.“
Das US-Energieministerium hat sich für die 2030er Jahre ein Ziel gesetzt. „Das heißt, wir wollen alle Technologie- und Forschungslücken teilweise bis Mitte der 2030er Jahre schließen und dann eine Pilotanlage bauen“, sagt Glenzer. „Es hängt wirklich davon ab, wie viel Geld investiert wird, aber es ist realistisch, Ende der 2030er oder Anfang der 2040er Jahre mit einer Pilotanlage zu rechnen.“
