Am 8. August 2021 pumpten 192 Laserstrahlen weitaus mehr Energie als das gesamte US-Stromnetz in eine kleine goldene Kapsel und entzündeten für den Bruchteil einer Sekunde dasselbe thermonukleare Feuer, das die Sonne antreibt.
Das Experiment zur Fusionskraft, das von der National Ignition Facility am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien durchgeführt wurde, wird in drei neuen Artikeln ausführlich untersucht – einer davon wurde in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung und zwei Papiere veröffentlicht in Körperliche Überprüfung E – die argumentieren, dass die Forscher eine „Zündung“ erreicht haben, ein entscheidender Schritt, der beweist, dass eine kontrollierte Kernfusion erreichbar ist. Aber die Definitionen dessen, was „Zündung“ ausmacht, variieren, und wie auch immer definiert, die Ergebnisse von 2021 sind immer noch sehr weit von einem praktischen Fusionsreaktor entfernt, obwohl sie eine sehr große Energiemenge produzieren.
Bei der Kernfusion werden zwei Elemente, typischerweise Wasserstoffisotope, zu dem schwereren Element Helium verschmolzen, wodurch enorme Energiemengen freigesetzt werden, die Sterne wie die Sonne antreiben.
Ein Fusionskraftwerk würde reichlich Energie erzeugen, indem es nur Wasserstoff aus Wasser als Brennstoff verwendet und Helium als Abfall produziert, ohne das Risiko von Kernschmelzen oder Strahlung. Dies steht im Gegensatz zur Kernspaltung, der Art der Reaktion in modernen Kernkraftwerken, die die Kerne schwerer Elemente wie Uran spaltet, um Energie zu erzeugen.
Aber während Fusionsreaktionen in der Sonne stattfinden und unkontrollierte Fusionen in thermonuklearen Waffenexplosionen stattfinden, ist die Kontrolle einer anhaltenden Fusionsreaktion zur Energieerzeugung den Nuklearingenieuren jahrzehntelang entgangen. Experimente mit unterschiedlichem Design haben es geschafft, Fusionsreaktionen für sehr kurze Zeiträume zu erzeugen, aber sie haben nie die „Zündung“ erreicht, den Punkt, an dem die aus einer Fusionsreaktion freigesetzte Energie größer ist als die Energiemenge, die erforderlich ist, um diese Reaktion zu erzeugen und aufrechtzuerhalten .
Aber das Team der National Ignition Facility und die Autoren einer der drei neuen Arbeiten, der eine in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung, argumentieren, dass „die Zündung ein Zustand ist, in dem das Fusionsplasma mit der ‚Verbrennungsausbreitung‘ in den umgebenden kalten Brennstoff beginnen kann, was die Möglichkeit eines hohen Energiegewinns ermöglicht.“ Das heißt, die Fusion begann in kaltem Wasserstoffbrennstoff und die Reaktion erweiterte sich, um weit mehr Energie zu erzeugen als in früheren Experimenten.
Das Experiment vom 8. August 2021 erforderte 1,9 Megajoule Energie in Form von Ultraviolettlasern, um eine Fusionsreaktion in einem kleinen, gefrorenen Pellet aus Wasserstoffisotopen auszulösen – ein Fusionsreaktionsdesign mit Trägheitseinschluss – und setzte 1,3 Megajoule Energie oder etwa 70 % frei. der in das Experiment gesteckten Energie. Mit anderen Worten, die Leistung betrug mehr als eine Billiarde Watt Leistung, selbst wenn sie nur für den Bruchteil einer Sekunde freigesetzt wurde.
„Der Rekordschuss war ein großer wissenschaftlicher Fortschritt in der Fusionsforschung, der beweist, dass die Fusionszündung im Labor am NIF möglich ist“, sagte Omar Hurricane, leitender Wissenschaftler des Trägheitsfusionsprogramms des Lawrence Livermore National Laboratory, sagte in einer Erklärung. „Das Erreichen der für die Zündung erforderlichen Bedingungen ist seit langem ein Ziel der gesamten Trägheitsfusionsforschung und eröffnet den Zugang zu einem neuen experimentellen Regime, in dem die Selbsterwärmung von Alpha-Teilchen alle Kühlmechanismen im Fusionsplasma übertrifft.“
Spätere Versuche, das Experiment zu replizieren, haben jedoch weitaus weniger Ausgangsenergie erzeugt, die meisten im Bereich von 400 bis 700 Kilojoule, was einige Forscher zu der Annahme veranlasste, dass das experimentelle Design der National Ignition Facility eine technische Sackgasse ist, so die Berichterstattung der Nachrichten Abteilung der Zeitschrift Natur.
„Ich denke, sie sollten es als Erfolg bezeichnen und aufhören“, sagte der Physiker und ehemalige Laserfusionsforscher des US Naval Research Laboratory, Stephen Bodner Natur.
Die National Ignition Facility kostete 3,5 Milliarden US-Dollar, mehr als 2 Milliarden US-Dollar mehr als erwartet, und liegt hinter dem Zeitplan zurück, wobei die Forscher zunächst das Jahr 2012 anvisierten, da die Frist zum Nachweis der Zündung mit dem Design möglich war.
Die neuen Studien deuten jedoch darauf hin, dass die Forscher bereit sind, weiter zu erforschen, wozu die National Ignition Facility in der Lage ist, insbesondere weil sich die Forscher der Einrichtung im Gegensatz zu anderen Fusionsforschern nicht in erster Linie auf die Entwicklung von Fusionskraftwerken konzentrieren, sondern auf ein besseres Verständnis thermonuklearer Waffen.
„Wir operieren in einem Regime, zu dem seit dem Ende der Atomtests kein Forscher Zugang hatte“, sagte Dr. Hurricane. „Es ist eine unglaubliche Gelegenheit, unser Wissen zu erweitern, während wir weitere Fortschritte machen.“