Entdecken Sie einen neuartigen Weg, um die Energie, die Sonne und Sterne antreibt, auf die Erde zu bringen

Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) haben wichtige neue Details über Fusionsanlagen entdeckt, die Laser verwenden, um den Brennstoff zu komprimieren, der Fusionsenergie erzeugt. Die neuen Daten könnten dazu beitragen, das Design zukünftiger Laseranlagen zu verbessern, die den Fusionsprozess nutzen, der Sonne und Sterne antreibt.

Die Fusion kombiniert leichte Elemente in Form von Plasma – dem heißen, geladenen Zustand der Materie, der aus freien Elektronen und Atomkernen besteht –, das enorme Energiemengen erzeugt. Wissenschaftler versuchen, die Fusion auf der Erde zu replizieren, um eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle zur Stromerzeugung zu erhalten.

Zu den wichtigsten experimentellen Einrichtungen gehören Tokamaks, die magnetischen Fusionsgeräte, die PPPL untersucht; Stellaratoren, die magnetischen Fusionsmaschinen, die PPPL ebenfalls untersucht und die sich in letzter Zeit auf der ganzen Welt verbreitet haben; und Lasergeräte, die in sogenannten Trägheitsexperimenten verwendet werden.

Die Forscher untersuchten die Auswirkungen der Zugabe von Wolframmetall, das zur Herstellung von Schneidwerkzeugen und Lampenfäden verwendet wird, zur äußeren Schicht von Plasmabrennstoffpellets in der Trägheitseinschlussforschung. Sie fanden heraus, dass Wolfram die Leistung der Implosionen steigert, die Fusionsreaktionen in den Pellets verursachen. Das Wolfram hilft, Wärme zu blockieren, die die Temperatur in der Mitte des Pellets vorzeitig erhöhen würde.

Das Forschungsteam bestätigte die Ergebnisse durch Messungen mit Kryptongas, das manchmal in Leuchtstofflampen verwendet wird. Sobald das Gas dem Kraftstoff hinzugefügt wurde, emittierte es hochenergetisches Licht, bekannt als Röntgenstrahlen, die von einem Instrument namens hochauflösendem Röntgenspektrometer erfasst wurden. Die Röntgenstrahlen lieferten Hinweise darauf, was in der Kapsel vor sich ging.

„Ich war begeistert zu sehen, dass wir diese beispiellosen Messungen mit der Technik durchführen konnten, die wir in den letzten Jahren entwickelt haben. Diese Informationen helfen uns, die Implosion des Pellets zu bewerten, und helfen Forschern, ihre Computersimulationen zu kalibrieren“, sagte PPPL-Physiker Lan Gao, Hauptautor des Papiers mit den Ergebnissen in Briefe zur körperlichen Überprüfung. „Bessere Simulationen und theoretisches Verständnis im Allgemeinen können Forschern dabei helfen, bessere zukünftige Experimente zu entwerfen.“

Die Wissenschaftler führten die Experimente an der National Ignition Facility (NIF) durch, einer DOE-Benutzereinrichtung am Lawrence Livermore National Laboratory. Die Anlage strahlt 192 Laser auf einen goldenen Zylinder oder Hohlraum, der einen Zentimeter groß ist und den Treibstoff umschließt. Die Laserstrahlen erwärmen den Hohlraum, der die Röntgenstrahlen gleichmäßig auf das darin befindliche Brennstoffpellet strahlt.

„Es ist wie ein Röntgenbad“, sagte PPPL-Physiker Brian Kraus, der an der Forschung mitgewirkt hat. „Deshalb ist es gut, einen Hohlraum zu verwenden. Sie könnten Laser direkt auf das Brennstoffpellet richten, aber es ist schwierig, eine gleichmäßige Abdeckung zu erreichen.“

Die Forscher wollen verstehen, wie das Pellet komprimiert wird, um zukünftige Anlagen so zu gestalten, dass die Heizung effizienter wird. Es ist jedoch schwierig, Informationen über das Innere des Pellets zu erhalten. „Da das Material sehr dicht ist, kann fast nichts raus“, sagte Kraus. „Wir wollen das Innere messen, aber es ist schwer, etwas zu finden, das durch die Hülle des Brennstoffpellets gehen kann.“

„Die in Lans Veröffentlichung präsentierten Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Trägheitsfusion und lieferten eine neue Methode zur Charakterisierung brennender Plasmen“, sagte Phil Efthimion, Leiter der Abteilung für Plasmawissenschaft und -technologie bei PPPL und Leiter der Zusammenarbeit mit NIF.

Die Forscher verwendeten ein von PPPL entwickeltes hochauflösendes Röntgenspektrometer, um die ausgestrahlten Röntgenstrahlen mit mehr Details als zuvor zu sammeln und zu messen. Durch die Analyse, wie sich die Röntgenstrahlen alle 25 Billionstel Sekunden veränderten, konnte das Team verfolgen, wie sich das Plasma im Laufe der Zeit veränderte.

„Basierend auf diesen Informationen konnten wir die Größe und Dichte des Pelletkerns genauer als zuvor abschätzen, was uns dabei half, die Effizienz des Fusionsprozesses zu bestimmen“, sagte Gao. „Wir haben den direkten Beweis erbracht, dass die Zugabe von Wolfram sowohl die Dichte als auch die Temperatur und damit den Druck im komprimierten Pellet erhöht. Als Ergebnis steigt die Schmelzausbeute.“

„Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit mit theoretischen, rechnerischen und experimentellen Teams, um diese Forschung weiter voranzutreiben“, sagte sie.