Laser Fusion
Laser Fusion
Die Laser Fusion, auch bekannt als Trägheitsfusion oder Trägheitsfusionsenergie, ist ein potentiell leistungsfähiges Verfahren zur Energiegewinnung aus der Kernfusion. Im Gegensatz zur Magnetfeldeinschluss-Kernfusion, bei der die Plasmatemperatur und -dichte durch starke Magnetfelder aufrechterhalten werden, nutzt die Laser Fusion kurze, intensive Laserpulse, um kleine Pellets aus Fusionsbrennstoff zu komprimieren und zu erhitzen. Dieser Prozess ermöglicht es, die für die Fusion erforderlichen extremen Bedingungen von Druck und Temperatur für kurze Zeit aufrechtzuerhalten.
Das Prinzip der Laser Fusion beruht auf der Idee, dass durch die Kompression und Erhitzung des Brennstoffpellets eine kleine Zone im Inneren des Pellets so hohe Dichten und Temperaturen erreicht, dass Fusionsreaktionen stattfinden können. Bei diesen Reaktionen verschmelzen leichte Atomkerne, wie Deuterium und Tritium, zu schwereren Kernen und geben dabei große Mengen an Energie frei. Die freigesetzte Energie kann dann zum Antrieb von Turbinen oder zur Stromerzeugung genutzt werden.
Die Laser Fusion bietet theoretisch mehrere Vorteile gegenüber anderen Fusionsansätzen. Dazu gehören eine höhere Energiedichte, eine inhärente Sicherheit durch die kurze Pulsdauer und die Möglichkeit, verschiedene Brennstoffmischungen zu verwenden. Allerdings stellt die Realisierung der Laser Fusion auch große technische Herausforderungen dar, die bisher noch nicht vollständig gemeistert wurden.
Physikalische Grundlagen
Die Laser Fusion basiert auf dem Prinzip der Trägheitsfusion, bei der ein kleines Pellet aus Fusionsbrennstoff, typischerweise einer Mischung aus Deuterium und Tritium, durch intensive Laserpulse komprimiert und erhitzt wird. Dieser Vorgang lässt sich in mehrere Phasen unterteilen:
1. Beschleunigungsphase: In dieser Phase wird das Pellet von den Laserpulsen symmetrisch von allen Seiten bestrahlt. Die Energie der Laserpulse wird an die äußere Schale des Pellets übertragen und erhitzt diese auf Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius. Dies führt zur Ablation (Verdampfung) der äußeren Schichten des Pellets, wodurch ein Reaktionsdruck auf das Innere des Pellets ausgeübt wird.
2. Kompressionsphase: Dieser Reaktionsdruck komprimiert das Pellet und erhöht sowohl die Dichte als auch die Temperatur im Inneren. Durch die Kompression werden extrem hohe Dichten von mehreren hundert Gramm pro Kubikzentimeter erreicht, während die Temperatur auf Werte von über 100 Millionen Grad Celsius ansteigt.
3. Zündungsphase: Wenn die erforderlichen Bedingungen für die Fusion erreicht sind, beginnen die Fusionsreaktionen im heißen, dichten Plasmazentrum des Pellets. Die freigesetzte Energie aus diesen Reaktionen kann weitere Fusionsprozesse auslösen, was zu einer sich selbst erhaltenden Fusionsreaktion führen kann, die als "Zündung" bezeichnet wird.
4. Brennphase: Während der Brennphase finden die Fusionsreaktionen im gesamten Plasmavolumen statt, wodurch große Mengen an Energie in Form von Wärme und energiereichen Partikeln freigesetzt werden. Diese Energie kann dann zur Erzeugung von Strom oder für andere Zwecke genutzt werden.
Laser-spezifische Aspekte
Der Schlüssel zur erfolgreichen Laser Fusion liegt in der präzisen Steuerung und Synchronisation der Laserpulse, die das Brennstoffpellet bestrahlen. Zu den wichtigsten laser-spezifischen Aspekten gehören:
Lasersysteme
Für die Laser Fusion werden leistungsstarke Lasersysteme benötigt, die kurze, intensive Pulse mit einer Energie von mehreren Megajoule erzeugen können. Zwei häufig verwendete Lasertypen sind:
Nd:Glas-Laser: Diese Laser nutzen Neodym-dotierte Glas-Verstärker und erzeugen Pulse im Nanosekundenbereich mit Wellenlängen im nahen Infrarotbereich (1,053 Mikrometer). Sie sind in der Lage, hohe Energien von mehreren Megajoule pro Puls zu erreichen.
Kryogen-Gas-Laser: Bei diesen Lasern wird ein Gemisch aus Edelgasen wie Argon und Krypton als aktives Medium verwendet. Sie emittieren Laserstrahlung im ultravioletten Spektralbereich (0,248 - 0,351 Mikrometer) und können ebenfalls Megajoule-Pulsenergien liefern.
Pulskompression und -formung
Um eine optimale Kompression und Zündung des Brennstoffpellets zu erreichen, müssen die Laserpulse sorgfältig geformt und komprimiert werden. Hierzu kommen verschiedene Techniken wie die Chirped Pulse Amplification (CPA) und die Plasmawandler-Kompression zum Einsatz. Ziel ist es, ultrakurze Pulse mit hohen Spitzenintensitäten zu erzeugen, die für die effiziente Ablation und Kompression des Pellets erforderlich sind.
Strahlformung und -führung
Die Laser Fusion erfordert eine präzise Steuerung und Ausrichtung der Laserstrahlen auf das Brennstoffpellet. Hierzu werden komplexe optische Systeme mit Phasenplatten, Linsen und Spiegeln eingesetzt, um die Strahlen zu formen, zu bündeln und auf das Ziel auszurichten. Dabei muss eine hohe Symmetrie der Bestrahlung gewährleistet werden, um eine gleichmäßige Kompression des Pellets zu ermöglichen.
Pellet-Design und -Herstellung
Das Design und die Herstellung der Brennstoffpellets sind ebenfalls entscheidend für den Erfolg der Laser Fusion. Die Pellets bestehen in der Regel aus einer äußeren Ablatorschicht, die vom Laserpuls abgetragen wird, und einem Inneren aus Fusionsbrennstoff. Die Materialien, Schichtdicken und Geometrien müssen sorgfältig ausgewählt und hergestellt werden, um eine optimale Kompression und Zündung zu ermöglichen.
Aktuelle Entwicklungen und Herausforderungen
Trotz intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konnte die Laser Fusion bisher noch keinen praktischen Durchbruch erzielen. Die größte Herausforderung besteht darin, die erforderlichen extremen Bedingungen für die Zündung und Aufrechterhaltung einer sich selbst erhaltenden Fusionsreaktion zu erreichen und zu kontrollieren.
Zu den wichtigsten aktuellen Entwicklungen und Herausforderungen gehören:
Lasersysteme mit hoher Repetitionsrate: Um die Laser Fusion für die kommerzielle Energiegewinnung nutzbar zu machen, müssen Lasersysteme entwickelt werden, die Pulsenergien von mehreren Megajoule bei hohen Wiederholraten (mehrere Hertz) liefern können. Dies erfordert Fortschritte bei der Lasertechnologie und der Kühlung der Verstärker.
Präzise Strahlformung und -führung: Die präzise Steuerung und Ausrichtung der Laserstrahlen auf das Brennstoffpellet ist entscheidend für eine effiziente Kompression und Zündung. Hier sind weitere Fortschritte in der Optik und Strahlführung erforderlich.
Optimierung der Pellet-Geometrie und -Materialien: Durch die Entwicklung neuer Pellet-Designs und -Materialien sollen die Kompression und Zündung des Brennstoffs verbessert werden. Dazu gehören auch Ansätze wie die Verwendung von mehrschaligen Pellets oder die Integration von Hohlräumen im Pellet.
Skalierung und Energieübertragung: Um aus der Laser Fusion nutzbare Energie zu gewinnen, müssen Methoden zur effizienten Auskopplung und Übertragung der freigesetzten Energie entwickelt werden. Hier spielen Aspekte wie die Wärmeübertragung und die Integration in Kraftwerkskreisläufe eine Rolle.
Sicherheits- und Umweltaspekte: Obwohl die Laser Fusion inhärent sicher erscheint, müssen mögliche Sicherheitsrisiken, wie die Handhabung radioaktiver Materialien, sorgfältig untersucht und bewertet werden. Auch die Umweltauswirkungen, insbesondere in Bezug auf die Entsorgung radioaktiver Abfälle, müssen berücksichtigt werden.
Trotz der anhaltenden Herausforderungen bleibt die Laser Fusion ein vielversprechendes Gebiet der Fusionsforschung, das das Potenzial hat, eine saubere, sichere und nahezu unbegrenzte Energiequelle für die Zukunft bereitzustellen.
Weiterführende Links
- Chirped Pulse Amplification (CPA)
Literatur
- Lindl, J. D., et al. "Review of the national ignition campaign 2009-2012." Physics of Plasmas, vol. 21, no. 2, 2014, p. 020501.
- Hurricane, O. A., et al. "Inertially confined fusion plasmas dominated by alpha-particle self-heating." Nature Physics, vol. 12, no. 8, 2016, pp. 800-806.
- Betti, R., et al. "Inertial confinement fusion with lasers." Nature Physics, vol. 12, no. 5, 2016, pp. 435-448.