Forscher finden neue Wege, um die Fusion mit Lasern und Magnetfeldern zu steuern

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, die Sonne in Ihr Forschungslabor zu rufen.

Ja, du, großer heller Stern! Bringen Sie Ihre sengende Hitze, das Drama der ständigen Kernfusion Ihres Kerns und Ihre außergewöhnlichen Energieniveaus mit. Wir wollen wissen, wie wir diese Fusionsenergie hier auf der Erde realisieren können – nach Belieben und effizient – ​​damit wir „Energieversorgung“ für immer von unserer Sorgenliste streichen können.

Aber natürlich kann die Sonne das Labor nicht wirklich erreichen. Es lebt zu weit entfernt – etwa 93 Millionen Meilen – und es ist viel zu groß (etwa 864.000 Meilen im Durchmesser). Es ist auch viel zu heiß und dichter als alles andere auf der Erde. Deshalb kann es die Reaktionen aufrechterhalten, die all die Energie erzeugen, die das Leben auf der Erde antreibt.

Dies hat die Wissenschaftler natürlich nicht davon abgehalten, ihre Suche nach Kernfusion fortzusetzen.

Stattdessen haben sie außergewöhnliche Wege gefunden – mit intensiven Lasern und Wasserstoffbrennstoff – um extreme Bedingungen wie im Kern der Sonne zu erzeugen, indem sie Kernfusion in winzigen 1-Millimeter-Plastikkapseln erzeugen. Dieser Ansatz wird „Inertial Confinement Fusion“ genannt.

Die Herausforderung besteht darin, ein System zu schaffen, das mehr Fusionsenergie erzeugt, als zu ihrer Erzeugung erforderlich ist.

Dies ist eine außerordentliche Herausforderung, da hochpräzise Experimente unter extremen Bedingungen erforderlich sind, aber die Forscher haben in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte in Wissenschaft und Technologie erzielt, die für die kontrollierte Laborfusion erforderlich sind.

Jetzt verfolgen der Forscher Arijit Bose von der University of Delaware und seine Mitarbeiter eine vielversprechende Variante dieses Ansatzes. Ihre Arbeit wurde kürzlich in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Sie haben starke Magnetfelder auf die lasergetriebene Implosion angewendet, die es ihnen ermöglichen könnten, Fusionsreaktionen auf eine Weise zu steuern, die zuvor in Experimenten unerforscht war.

Bose, ein Assistenzprofessor an der Fakultät für Physik und Astronomie der UD, begann sein Studium der Kernfusion während der Graduiertenschule an der Universität von Rochester.

Nachdem er das Laboratory for Laser Energetics in Rochester besichtigt hatte, wo Laser verwendet werden, um kugelförmige Kapseln zu implodieren und Plasmen zu erzeugen, bekannt als „Inertial Confinement Fusion“, fand er einen Schwerpunkt für seine eigene Forschung.

„Fusion ist das, was alles auf der Erde antreibt“, sagte er. „Eine Miniatursonne auf der Erde zu haben – eine millimetergroße Sonne – dort würde die Fusionsreaktion stattfinden. Und das hat mich umgehauen.“

Lasergetriebene Kernfusionsforschung gibt es schon seit Jahrzehnten, sagte Bose.

Es begann in den 1970er Jahren im Lawrence Livermore National Lab. Livermore beherbergt jetzt das größte Lasersystem der Welt, das so groß ist wie drei Fußballfelder. Die dort betriebene Fusionsforschung verfolgt einen indirekten Ansatz. Laser werden in eine kleine 100-Millimeter-Golddose gerichtet. Sie treffen auf die Innenfläche der Dose und erzeugen Röntgenstrahlen, die dann das Ziel treffen – eine winzige Kugel aus gefrorenem Deuterium und Tritium – und es auf Temperaturen nahe dem Kern der Sonne erhitzen.

„Nichts kann das überleben“, sagte Bose. „Elektronen werden von den Atomen abgestreift und die Ionen bewegen sich so schnell, dass sie kollidieren und verschmelzen.“

Das Ziel implodiert innerhalb einer Nanosekunde – einer Milliardstel Sekunde – zuerst angetrieben durch den Laser, dann wird es durch seine eigene Trägheit weiter komprimiert. Schließlich dehnt es sich aufgrund des durch die Kompression verursachten zunehmenden zentralen Drucks aus.

„Eine selbsterhitzte Fusionskettenreaktion zum Starten zu bringen, nennt man Zündung“, sagte Bose. „Wir sind bemerkenswert nah dran, eine Zündung zu erreichen.“

Forscher in Livermore berichteten beeindruckende Neuzugänge in dieser Anstrengung am 8. August.

Rochesters OMEGA-Laseranlage ist kleiner und wird verwendet, um einen Direktantriebsansatz zu testen. Dieser Prozess verwendet keine Golddose. Stattdessen treffen Laser direkt auf die Zielkugel.

Das neue Stück ist das starke Magnetfeld – in diesem Fall Kräfte von bis zu 50 Tesla – das verwendet wird, um die geladenen Teilchen zu kontrollieren. Im Vergleich dazu verwendet eine typische Magnetresonanztomographie (MRT) Magnete von etwa 3 Tesla. Und das Magnetfeld, das die Erde vor dem Sonnenwind abschirmt, ist viele Größenordnungen kleiner als 50 T, sagte Bose.

„Sie wollen, dass die Kerne verschmelzen“, sagte Bose. „Die Magnetfelder fangen die geladenen Teilchen ein und lassen sie um die Feldlinien herumgehen. Das hilft, Kollisionen zu erzeugen, und das hilft, die Fusion zu beschleunigen. Deshalb hat das Hinzufügen von Magnetfeldern Vorteile für die Erzeugung von Fusionsenergie.“

Fusion erfordert extreme Bedingungen, aber es wurde erreicht, sagte Bose. Die Herausforderung besteht darin, mehr Energie auszugeben als zuzuführen, und die Magnetfelder liefern den Schub, der diesen Ansatz transformativ machen kann.

Die Experimente veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung wurden durchgeführt, als Bose als Postdoktorand am Plasma Science and Fusion Center des MIT forschte. Diese Zusammenarbeit geht weiter.

Bose sagte, er sei zum Teil wegen des Plasmaphysik-Fokus an der Fakultät für Physik und Astronomie an die University of Delaware gezogen, darunter William Matthaeus, Michael Shay und Ben Maruca.

„Sie führen Studien und Analysen von Daten durch, die vom NASA-Solarprogramm und all seinen Missionen stammen“, sagte er. „Wir führen astrophysikalische Laborexperimente durch, bei denen diese Phänomene in Raum und Zeit auf das Labor herunterskaliert werden. Dies gibt uns die Möglichkeit, einige der komplizierten physikalischen Fragen zu enträtseln, die von NASA-Missionen gestellt werden.“

Studenten sind wichtige Treiber dieser Arbeit, sagte Bose, und ihre Karrieren können in diesem neuen Studienbereich große Fortschritte machen.

„Es ist ein faszinierender Teil der Wissenschaft und Studenten sind ein sehr wichtiger Teil der Personalentwicklung für die nationalen Labors“, sagte er. „Studenten mit Erfahrung in dieser Wissenschaft und Technologie landen oft als Wissenschaftler und Forscher in den nationalen Labors.“

Es gebe noch viel zu tun, sagte er.

„Wir werden morgen keine Lösung haben. Aber wir tragen zu einer Lösung für saubere Energie bei.“