Mittwoch, 23. September 2015

National Ignition Facility (NIF)

Gebäude des National Ignition Facility (NIF)
Die US-amerikanische Anlage für Experimente zur Kernfusion National Ignition Facility (NIF) ist eine Einrichtung des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore im Bundesstaat Kalifornien. Betreut wird es von der National Nuclear Security Administration (NNSA).

In dieser Anlage finden Experimente zur Trägheitsfusion (engl. Inertial Confinement Fusion (ICF)) statt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es schon im Labor funktioniert.
Deuterium- und Tritium-Isotope, die anders als der natürlich überwiegend vorkommende Wasserstoff noch Neutronen enthalten, befinden sich in einer Ummantelung aus Kunststoff (DT-Pellet). Dieses wird für die Fusionsreaktion in einen kleinen Hohlzylinder aus Gold gelegt. Im Zylinder wird das heiße Plasma nur durch seine Trägheit zusammengehalten und muss nicht mit riesigen elektromagnetischen Feldern wie in einem Tokamak- (z.B. ITER) oder Stellarator-Reaktor (z.B. Wendelstein 7-X) in der Schwebe gehalten werden damit der Reaktor nicht vom Plasma, welches eine Temperatur von etwa 100 Mio. Grad Celsius erreicht, beschädigt wird.
Der Zylinder wird (weniger als eine Milliardstelsekunde) mit Laserstrahlen beschossen so dass im Inneren des Zylinders eine starke Röntgenstrahlung entsteht. Diese Strahlung sorgt dafür, dass der Brennstoff sich auf das bis zu Hundertfache der Dichte von Blei verdichtet und auf über hundert Millionen Grad Celsius erhitzt. Ab einer gewissen Schwelle setzt dann eine Kernfusion des Wasserstoffs zu Helium ein. Die Reaktion arbeitet sich von innen nach außen vor.

Gebaut worden ist das NIF für 3 bis 5 Zündungen pro Tag. Da jeder einzelne "Schuss" jedoch aufwendig vorbereitet werden muss konnten z. B. im Jahre 2011 "nur" etwa 310 Schüsse durchgeführt werden. Davon waren rund die Hälfte der Erforschung der Kernfusion gewidmet. Die Targetkammer besteht aus 10 cm dickem Aluminium. Bei einem Schuss mit erfolgreicher Fusionszündung wird sie durch die freigesetzten schnellen Neutronen radioaktiv; insbesondere entsteht Natrium-24, ein Gammastrahler mit 15 Stunden Halbwertszeit. Deshalb werden dann mehrere Tage Abklingzeit nötig sein, bevor Personal die Kammer zur Vorbereitung des nächsten Schusses betreten kann.

Für einen Kraftwerksbetrieb müssten kontinuierlich 5 bis 10 Pellets pro Sekunde gezündet werden.

Zweck der Experimente ist  im Rahmen des Stockpile Stewardship Program die Simulation von Atomwaffenexplosionen, um die Funktionssicherheit der US-amerikanischen Atomwaffen ohne unterirdische Atomwaffentests zu gewährleisten. Bis zum Jahr 1972 waren in den USA alle Arbeiten zur Wasserstofffusion per Laser als "geheim" eingestuft.
Daneben sollen die Versuche auch der Untersuchung der Trägheitsfusion als friedlicher Energiequelle dienen. Leitender Wissenschaftler ist John Lindl.

Die Laseranlage des NIF

In der NIF befindet sich der stärkste Laser der Welt. Die Laseranlagen nehmen den Großteil des Gebäudes ein, das drei Fußballfelder groß ist. Diese Laser bringen UV-Pulse von 15 Nanosekunden Dauer und einigen Megajoule Energie in die evakuierte Targetkammer. Der Fusionsbrennstoff, ein Gemisch aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium, befindet sich als dünne, gefrorene Schicht (18 K) an der Innenseite einer 2 mm kleinen, kugeligen Kunststoffkapsel mittig in einem kleinen vergoldeten Metallzylinder. Durch dessen Öffnungen an beiden Enden gelangen die 192 Laserstrahlen an der Kapsel vorbei an die innere Oberfläche des Zylinders. Dadurch entsteht thermische Röntgenstrahlung (Hohlraumstrahlung), die die Oberfläche der Kapsel in ein schnell expandierendes Plasma verwandelt (indirect drive). Der Rückstoß der Expansion beschleunigt die Kugelschale auf eine Geschwindigkeit von einigen 100 km/s. Wenn es gelingt, dass sie weitgehend symmetrisch das Zentrum erreicht, dann wird dort bei Temperaturen von 50 bis 100 Millionen Grad und einer Dichte, die jene von Blei hundertfach übertrifft, die Zündschwelle erreicht, bei der die Fusionsreaktion thermisch durchgeht. Dann würde die Fusionszone innerhalb von wenigen 10 Pikosekunden von innen nach außen wandern; dabei soll etwa die Hälfte des Materials fusionieren und mehr Energie freisetzen, als zur Zündung nötig war.

Daten des Lasers
  • Anzahl Strahlengänge (beam lines): 192
  • Apertur des Lasermediums: 40 x 40 cm
  • Pumpquelle: Blitzlampen
  • Lasermedium: Nd:Glas (Phosphat)
  • Fundamentalwellenlänge: 1053 nm
  • Frequenz verdreifacht: Wellenlänge 351 nm
  • Effizienz (Pumplicht-UV): 0,7 %
  • Pulsenergie pro Strahl: 18,75 kJ
  • Fokus (Strahldurchmesser am Target): 5-faches der Beugungsbegrenzung
  • Schusswiederholrate: 4 bis 6 Pulse pro Tag
  • Raumfläche des Gebäudes: 230.000 sq ft, entspricht etwa 21.368m²
  • geplante Kosten und Bauzeit (Stand 1994): 1,2 Milliarden US-$, Fertigstellung 2002[6]
  • tatsächliche Kosten: 3,4 Milliarden US-$
  • Fertigstellung: Mai 2009
  • Erster "full system" Schuss mit > 1 MJ: Oktober 2010
Geschichte

05. März 2008. Beim US-amerikanischen Militär werden Milliarden US-Dollar in Experimente mit Kernfusionen investiert. Die Eergebnisse könnten zur Weiterentwicklung von Fusionssprenköpfen dienen. 2010 sollen zum ersten Mal im NIF Wasserstoffatome durch den Beschuss mit 192 Lasern zu Heliumkernen verschmolzen werden. Die Daten aus den Fusionsexperimenten lassen sich nutzen um die Computersimulationen von Kernfusionsbomben zu verfeinern. Da keine Tests mit Wasserstoffbomben durchgeführt werden können haben die Militärs dadurch wieder eine Möglichkeit Kernfusionstests im Miniformat durchzuführen.

30. Januar 2009. Die Anlage wird fertiggestellt. 

Ab Januar 2010. Die Systeme werden in Betrieb genommen.

29 Januar 2010. Die Wissenschaftler am NIF wollen einem Fusionsreaktor näher gekommen sein. Es soll bei einem Testlauf mehr Energie freigesetzt worden sein, als vorher per Laser zugeführt wurde. Auf einen wenige Millimeter großen Hohlraumzylinder wurde mit 192 Laserstrahlen Energie geworfen. Er wurde dabei auf 3,3 Millionen Grad Celsius erhitzt. Dabei wurde mit 1 Mio. Joule das Vielfache der Energie freigesetzt die zuvor per Laser zugeführt worden war. Das soll das 30-fache von dem was mit Lasern bisher möglich war gewesen sein.
Für die angestrebte Kernfusion wären jedoch mindestens dreimal so hohe Temperaturen notwendig. Bisher wurden die Experimente noch ohne den eigentlichen Brennstoff für die Kernfusion (die beiden Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium) durchgeführt.
Bei den weiteren Experimenten im Laufe des Jahres wollen die Wissenschaftler diesen Schritt aber wagen und den Fusionsbrennstoff in einer Weizenkorn-großen Kapsel aus Beryllium inmitten des Hohlzylinders platzieren. Dabei soll in einer Implosion ein Plasma aus geladenen Teilchen und Röntgenstrahlung entstehen. Diese Bedingungen sollen ausreichen, so dass die Wasserstoffkerne zu schwereren Heliumkernen verschmelzen.
Die Entscheidung, wann das Kernfusionsexperiment in die nächste Phase eintreten wird, soll im Juni fallen. Ob die Zündung einer Kernfusion gelingen wird, können die Forscher noch nicht sagen. Zu den Hürden zählt noch, dass der Laser 10 bis 15 Fusionen pro Sekunde zünden müsste. Bislang benötigt die NIF-Anlage aber noch eine Abkühlpause von zwei Stunden zwischen zwei Schüssen.

September 2010. Es erfolgt das erste direkt auf Zündung der Kernfusion gerichtete Experiment in der NIF.

Ende September 2010. Es wird erstmals eine Dichte und Temperatur erreicht, bei denen das Deuterium-Tritium-Gemisch überhaupt reagiert. Ebenfalls in diesem Monat gibt erstmals ein mit Lasern beschossener Treibstoff etwas mehr Energie ab, als die Wissenschaftler vorher über den Beschuss an ihn weitergeben.
Allerdings geht die Rechnung nur auf, wenn vorherige Energieverluste nicht berücksichtigt werden. Sibylle Günter (Wissenschaftliche Direktorin des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik) meint dazu: "Der Erfolg der Kollegen ist beachtlich, und ich möchte ihn nicht kleinreden ... Aber von einem 'break-even'-Point im klassischen Sinne, der so viel Fusionsenergie liefert, wie vorher investiert wurde, sind sie noch weit entfernt."
Auf die gesamte Anlagen mit allen internen Verlusten gerechnet wurden gerade einmal 7 Promille der vorher investieren Energie bei der Fusion freigesetzt. Voraussetzung für eine nutzbare Energiequelle ist aber eine Anlage die "deutlich mehr Energie" liefert als sie für den Betrieb benötigt.
Es sollen vor allem Fortschritte bei der Alpha-Teilchen-Selbsterhitzung erzielt worden sein. Dabei erhitzen die Alphateilchen, Heliumkerne, die bei der Fusion entstehen, das Plasma weiter und treiben die Fusionsreaktion voran, wodurch weitere Alphateilchen entstehen. Bisher waren die Alphateilchen entwichen. Diese Rückkopplung soll schließlich zur Zündung führen.

Anfang 2012. Auf der Konferenz Photonics West 2012 kündigt Mike Dunne (Leitender Mitarbeiter des NIF) an dass sie die Zündung Ende 2012 erreichen würden.

Ende September 2012. Der Termin, bis jetzt Zündung (Ignition) der Kernfusion zu erreichen, kann nicht eingehalten werden. Das NIF steht daher kurz vor dem Aus.
Das Target wird nur auf die halbe berechnete Dichte komprimiert, sodass weitere Experimente zunächst darauf abzielen sollen, die auch für das Kernwaffenprogramm benötigten Berechnungsmodelle zu verbessern. Das Erreichen des Brennens ist dafür unverzichtbar, hat aber für die nächsten drei Jahre keine Priorität. Das Ziel eines Fusionsreaktors wird nicht mehr erwähnt.

Ende 2013. Laut einem Artikel im Magazin Nature vom Februar 2014 gelingt es Ende 2013 erstmals durch Laserbeschuss eine Kernfusion in Gang zu bringen und (wieder einmal) mehr Energie zu erzeugen, als die rund 10 kJ, die zuvor durch Kompression in die Reaktionzone eingebracht wurden.  Der (wieder einmal) gefeierte Durchbruch kommt nur zustanden in dem man weiterhin nur die Bilanz zwischen der von den Atomen aufgenommenen und abgegebenen Energie betrachtet – und die tausendfach höhere Energie für die Laser selbst geflissentlich ignoriert (von der Energie für den Betrieb der gesamten Anlage ganz zu schweigen).
Um einen echten, kontrollierbaren Fusionsprozess in Gang zu bringen müssten etwa hundert Mal so viele Atomkerne in der bestrahlten Probe zur Fusion gebracht werden wie bisher ist.

Bilder aus Wikimedia Commons
Gebäude des National Ignition Facility (NIF), Lizenz: Public Domain, Urheber: PD-USGOV

Quellen
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