Wissenschaftler des NRL veröffentlichten in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium die Ergebnisse ihrerArgonfluorid (ArF)Laserfusionsforschung in den Philosophical Transactions of the Royal Society im vergangenen Herbst.
Die wissenschaftliche Arbeit „Hohe Fusionsausbeute mit Sub-Megajoule-Laserenergie mittels eines direkt angeregten Argonfluoridlasers“ berichtet, dass ArF eine vielversprechende Technologie für die Erzeugung der für die Energiegewinnung notwendigen Trägheitsfusionsimplosionen mit hoher Verstärkung darstellt. Bei der Laserfusion werden kleine Kapseln implodiert, um die hohen Dichten und Temperaturen (100 Millionen Grad Celsius) zu erreichen, die für die Initiierung einer Fusionsreaktion erforderlich sind.
Die Fusionsenergie kann als Energiequelle genutzt werden, wenn der Gewinn viel größer ist als die zum Betrieb des Lasers benötigte Energie. Simulationen des NRL haben gezeigt, dass das tiefe ultraviolette Licht von ArF einen hohen Gewinn bei viel niedrigeren Laserenergien erzielen kann, als bisher für möglich gehalten wurde.„ArF-Laser ermöglichen die Entwicklung und den Bau kleinerer, kostengünstigerer Fusionskraftwerke“, sagte Obenschain. „Dies wird den Einsatz dieser attraktiven Energiequelle beschleunigen, die über genügend Brennstoffvorräte für Tausende von Jahren verfügt.“
Die Ergebnisse des NRL sind besonders wichtig, da die National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory am 8. August bekannt gab, ein Laserfusionsexperiment durchgeführt zu haben, das fast so viel Fusionsenergie erzeugte wie die zur Erzeugung der Implosionen verwendeten Laserstrahlen. Die NIF-Ergebnisse ergaben 1,3 Megajoule Fusionsenergie, was etwa einem Pfund Sprengstoff entspricht, und demonstrierten damit die grundlegende wissenschaftliche und technologische Machbarkeit der Laserfusion.
„Die Ergebnisse des NIF sind beeindruckend und unterstreichen die Notwendigkeit, Lasertechnologien zu nutzen, um zukünftige Fortschritte zu beschleunigen. Die ArF-Lasertechnologie des nRL bietet einen Weg zu höheren Fusionsgewinnen und -ausbeuten“, sagte Obenschain. „Diese Eigenschaften sind für das NNSA-Programm zur Erhaltung des Fusionsmaterials erforderlich, und hohe Verstärkungen sind für die Fusionsenergieerzeugung unerlässlich.“
Das Nike-Laserlinsenarray fokussiert 44 Kryptonfluorid-Laserstrahlen (KrF) auf Ziele, die einen kleinen Teil der Implosionskapsel darstellen. Die millimetergroßen Ziele sind in der zentralen Linse sichtbar. KrF-Laser ähneln ArF-Lasern, haben jedoch eine etwas längere Wellenlänge (248 nm). Das Nike-Experiment trägt wesentlich zum Verständnis der Grundlagenphysik der gleichmäßigen Beschleunigung eines Ziels auf die für die Fusionsimplosion erforderlichen hohen Geschwindigkeiten bei. Quelle: Naval Research Laboratory
Obenschain merkt an, dass Hochenergie-ArF-Laser erhebliche Investitionen erfordern, um die für die Fusion in kommerziellen Kraftwerken erforderliche Leistung und Energie, Wiederholfrequenz, Präzision und milliardenschwere Zuverlässigkeit zu erreichen.
„Unsere bisherigen Arbeiten haben gezeigt, dass es keine grundsätzlichen Hindernisse gibt, die ArF-Direktantriebssysteme für die Trägheitsfusion daran hindern, diese Anforderungen zu erfüllen“, sagte Obenschain.
Er sagte: „Diese Vorteile könnten die Entwicklung von Fusionskraftwerksmodulen in moderatem Maßstab und zu geringeren Kosten ermöglichen, die mit Laserenergien von weniger als einem Megajoule arbeiten.“ „Dies würde die bisherige Ansicht, dass Laserfusionsenergie zu teuer und die Kraftwerke zu groß seien, revolutionieren.“
„Das NRL ist weltweit führend in der Entwicklung von Hochenergie-Argonfluorid-Lasertechnologie“, sagte Dr. Max Karasik, Leiter der Abteilung für lasergetriebene Targetphysik des NRL. „Darüber hinaus führen wir Experimente durch, um die physikalischen Grundlagen der Laserfusion voranzutreiben, und Computersimulationen, um die optimale Konfiguration für eine ArF-Laserimplosion mit hoher Verstärkung zu bestimmen.“
Das Potenzial des ArF-Lasers für die Fusionsenergie wird durch das Programm „Breakthroughs to Enable Thermonuclear Fusion Energy“ (BETHE) der Advanced Research Projects Agency for Energy (ARPA-E) des US-Energieministeriums gefördert. Dieses Programm unterstützt die zeitnahe Entwicklung kommerziell nutzbarer Fusionsenergiequellen.
Die Abteilung Laserplasma der Plasmaphysik-Abteilung leitet diese Forschungsarbeiten und hat einen dreiphasigen Plan entwickelt, um Argonfluoridlaser so weiterzuentwickeln, dass sie die für Implosionen mit hoher Energieverstärkung erforderliche Leistung erreichen.
Die erste Phase schließt die Grundlagenforschung und -technologie für das derzeit am NRL durchgeführte ArF-Verfahren ab. In Phase II wird eine ArF-Laserstrahlführung in Originalgröße mit hoher Energie aufgebaut und getestet. In Phase III wird eine Implosionsanlage aus 20 bis 30 solcher Strahlführungen errichtet, um die für Verteidigungs- und Energieanwendungen erforderliche hohe Energieverstärkung (>100) zu demonstrieren.
Veröffentlichungsdatum: 18. September 2024