Coherent NIF: Ein Schritt näher an der Schaffung einer Fusionsenergiequelle
Das weltweit größte Lasersystem mit Hilfe der Coherent ik von Coherent dem Ziel einer selbsttragenden Fusion.
17. Februar 2022 von Coherent
Du lebst dank der Kernfusion. Sie ist die Energiequelle unserer Sonne, und die Sonne liefert die gesamte Energie, die das Leben auf der Erde erhält. Seit den 1940er Jahren versuchen Wissenschaftler, die Fusion zur Stromerzeugung hier auf der Erde nutzbar zu machen. Und kürzlich sind sie diesem Ziel in der National Ignition Facility (NIF) in den Vereinigten Staaten einen kleinen Schritt näher gekommen.
Haben wir nicht schon Atomkraft?
Kernkraftwerke erzeugen heute Energie durch Kernspaltung. Bei der Kernspaltung wird ein großes Atom, wie Uran oder Plutonium, gespalten. Dabei entsteht viel Energie, aber auch radioaktiver Abfall. Bei der Kernfusion werden Atome – in der Regel bestimmte Arten von Wasserstoffatomen – miteinander verbunden, wobei noch mehr Energie freigesetzt wird als bei der Kernspaltung. Als Nebenprodukt entsteht Helium, das nicht radioaktiv ist und daher keine Probleme bei der Entsorgung oder Lagerung radioaktiver Abfälle verursacht.
Wie schafft man nun eigentlich die extremen Bedingungen – wie sie im Kern der Sonne herrschen –, die für eine Fusionsreaktion erforderlich sind? Eine Möglichkeit besteht darin, 192 Laserstrahlen, die eine Leistung von 500 Billionen Watt erzeugen (für 20 Nanosekunden), auf ein Brennstoffpellets mit einem Durchmesser von nur wenigen Millimetern zu richten, um es auf 100.000.000 °C zu erhitzen.
Das ist genauso einfach, wie es klingt!
Und genau das ist es, was das NIF tatsächlich leistet. Es genügt zu sagen, dass das NIF das größte und leistungsstärkste Lasersystem ist, Lasersystem gebaut wurde, und dass es von fast unvorstellbarer Komplexität und Raffinesse ist.
Der NIF-Laser ist in einem Gebäude untergebracht, das so groß ist wie drei US-Footballfelder. Er nimmt die Leistung eines einzelnen Infrarot-Faserlasers auf, teilt sie auf und verstärkt sie mehrfach, um die zuvor erwähnten 192 einzelnen Laserstrahlen zu erzeugen. Darin befinden sich alle möglichen Arten von Strahlkonditionierungs- und Transformationsoptiken, damit das System richtig funktioniert und die gewünschten Ergebnisse erzielt werden. Dazu gehören nichtlineare Kristalle, die das Infrarot-Laserlicht in ultraviolettes Licht umwandeln, das besser mit den Kernbrennstoffpellets harmoniert.
Coherent auf Laseroptik
Coherent leistet einen Beitrag zu diesem Vorhaben, indem es die keilförmigen Fokussierlinsen (WFLs) liefert, die in der sogenannten „Final Optics Assembly“ des NIF zum Einsatz kommen. Dies ist der Teil des Systems, der die Laserstrahlen auf das Fusionspellet bündelt.
Jede WFL ist eine 400 mm x 400 mm große, außeraxiale asphärische Linse mit einer Brennweite von 7,7 m, die aus hochwertigem Quarzglas Linse . Wir setzen eine Reihe computergesteuerter Polier- und Messgeräte ein, um das außergewöhnlich hohe Maß an Präzision zu erreichen, das Präzision für diese Komponenten verlangt.
Einer der wichtigsten Aspekte bei der Herstellung der WFLs ist die Minimierung des Risikos von Beschädigungen der Optik durch Absorption hochenergetischen Laserenergie. Das bedeutet, dass Oberflächenverunreinigungen in jeder Phase der Produktion vermieden werden müssen. Um dies zu erreichen, wird der gesamte Polierprozess für diese Komponenten unter Reinraumbedingungen durchgeführt. Der allerletzte Schritt bei der Herstellung der WFLs ist das Eintauchen in ein Säurebad, um die äußere polierte Glasschicht abzutragen, unter der sich Verunreinigungen oder Schäden unter der Oberfläche verbergen könnten, die die Leistung des Lasers beeinträchtigen würden.
Trotz all dieser Vorsichtsmaßnahmen haben die WFLs und andere optische Komponenten aufgrund der im NIF-System Laserenergie enormen Laserenergie nur eine begrenzte Lebensdauer und werden kontinuierlich ausgetauscht. Daher liefert Coherent diese Komponenten regelmäßig an das NIF. Eine entscheidende Anforderung dabei ist, dass diese Komponenten weder von Einheit zu Einheit noch im Laufe der Zeit Abweichungen aufweisen. Wir sind einer der wenigen Hersteller weltweit , die solche Präzision Optiken mit großer Apertur in großen Stückzahlen konsistent produzieren können.
Das NIF steigert jedoch kontinuierlich die Leistung seines Lasers. Daher müssen wir unsere eigenen Fertigungsprozesse ständig verbessern, um immer bessere und makellosere optische Oberflächen zu liefern, da die Anforderungen an die WFLs steigen.
Da kommt die Sonne
Trotz der extremen Bedingungen, die der NIF-Laser erzeugt, ist es ihm bislang noch nicht gelungen, eine anhaltende Kernfusionsreaktion auszulösen. Das ist bisher noch niemandem gelungen. Konkret geht es darum, eine Zündung zu erreichen, d. h. einen Fusionsertrag, der größer ist als die zugeführte Laserenergie.
Am 8. August 2021 kam das NIF diesem Ziel jedoch einen Schritt näher, indem es eine Fusionsreaktion erzeugte, bei der mehr als 1,3 Megajoule (MJ) Energie freigesetzt wurden. Das ist achtmal mehr als der bisherige Rekord. Damit sind wir der selbsttragenden Fusion schon fast zum Greifen nah.
Coherent freut sich, dass unserePräzision Optiken mit großer Öffnung eine wichtige Rolle im NIF sowie in anderen hochmodernen Forschungsprojekten wie dem James-Webb-Weltraumteleskop und dem Thirty-Meter-Teleskop spielen .
Verwandte Ressourcen
