Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben im Nachhinein bestätigt, dass die Implosionsasymmetrie ein wesentlicher Aspekt der Fusionsexperimente war, bevor an der National Ignition Facility (NIF) des Labors, dem energiereichsten Laser der Welt, erstmals eine Zündung gelang.
Die Ergebnisse waren vor kurzem detailliert in einem Naturkommunikation Artikel mit dem Titel „Der Einfluss der Low-Mode-Symmetrie auf die Energieabgabe der Trägheitsfusion im brennenden Plasmazustand“. Die Studie wurde gemeinsam von den LLNL-Physikern für Trägheitsfusion (ICF) Joe Ralph, Steven Ross und Alex Zylstra, dem ehemaligen Leiter der Hybrid-E ICF-Kampagne, geleitet.
Im Jahr 2021 erreichten indirekt angetriebene ICF-Experimente einen brennenden Plasmazustand mit Neutronenausbeuten von über 170 kJ, etwa das Dreifache des Rekords von 2019 und eine notwendige Phase zum Zünden von Plasmen. Die Ergebnisse wurden trotz mehrerer Verschlechterungsquellen – einschließlich Asymmetrien – erreicht, die zu hohen Leistungsschwankungen führten. Dieser Meilenstein sei ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Zündung am 5. Dezember 2022, sagte Ralph.
Die Bedeutung der Symmetrie bei ICF-Experimenten, sagte Ralph, ist vergleichbar mit dem Versuch, ein Flugzeug mit einem schweren linken Flügel zu fliegen. Das relative Flügelgewicht spielt keine große Rolle, solange man noch am Boden ist, aber es macht einen großen Unterschied, wenn man versucht, abzuheben. Ein brennendes Plasma zu erzeugen, ist wie abzuheben.
„Das Erreichen eines brennenden Plasmazustands war für uns ein entscheidender Moment“, sagte Ralph. „Es bestätigte jahrelange theoretische und experimentelle Arbeit und legte eine solide Grundlage für zukünftige Fortschritte.“
Zum ersten Mal präsentiert das Papier einen empirischen Degradationsfaktor für Mode-2-Asymmetrie im brennenden Plasmaregime, zusätzlich zu den zuvor ermittelten Degradationen der Strahlungsmischung und der Mode-1-Asymmetrie. Die Analyse zeigt, dass die Einbeziehung dieser drei Degradationen in die 2017-2018 entwickelte theoretische Skalierung der Fusionsausbeute die gemessene Variabilität der Fusionsleistung in den beiden leistungsstärksten experimentellen Kampagnen auf dem NIF innerhalb der Fehlergrenze erklärt.
„Bei unseren Fusionsexperimenten ist die Erreichung der Symmetrie von entscheidender Bedeutung“, sagte Ralph. „Wenn das Plasma nicht gleichmäßig komprimiert ist und die Energie nicht effizient eingeschlossen wird, leidet die Leistung. Indem wir diese Asymmetrien verstehen und korrigieren, können wir sicherstellen, dass die Bedingungen für die Zündung genau richtig sind, ähnlich wie wenn man sicherstellt, dass ein Flugzeug vor dem Abheben richtig ausbalanciert ist.“
Das Papier zeigt, wie das Team die Leistungsempfindlichkeit gegenüber Mode-2-Asymmetrie im Brennplasmaregime quantifizierte und die Ergebnisse in Form eines empirischen Degradationsfaktors auf ein 1D-Fusionsleistungsmodell anwandte. Darüber hinaus stellte das Team durch eine Reihe integrierter 2D-Strahlungs-Hydrodynamiksimulationen fest, dass die Empfindlichkeit gegenüber Mode-2 nur dann mit der experimentell ermittelten Empfindlichkeit übereinstimmte, wenn Alpha-Heizung einbezogen wurde.
„Durch die Isolierung und Quantifizierung der Mode-2-Degradation konnten wir unsere Modelle verfeinern und die Genauigkeit unserer Vorhersagen verbessern“, sagte Ralph. „Diese Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung einer kontinuierlichen Verfeinerung und des Verständnisses der Variablen, die die Fusionsleistung beeinflussen. Durch die Identifizierung und Berücksichtigung dieser Degradationsfaktoren konnten wir die Leistung unserer Experimente besser beurteilen und fundiertere Entscheidungen treffen. Dies war ein bedeutender Schritt in Richtung Zündung.“
Mehr Informationen:
JE Ralph et al, Der Einfluss der Low-Mode-Symmetrie auf die Energieabgabe der Trägheitsfusion im brennenden Plasmazustand, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47302-8