Coherent NIF: Ein weiterer Schritt in Richtung der Erzeugung von Fusionsenergie

Sie leben dank der Kernfusion. Das ist die Energiequelle der Sonne, und die Sonne wiederum liefert die gesamte Energie, die das Leben auf der Erde benötigt. Seit den 1940er Jahren versuchen Wissenschaftler, die Kernfusion zur Stromerzeugung auf der Erde zu nutzen. Vor kurzem sind sieim National Ignition Facility (NIF) in den USA diesem Ziel einen kleinen Schritt näher gekommen.

Haben wir nicht schon Kernenergie?

Heutige Kernkraftwerke erzeugen Energie durch Kernspaltung. Bei der Kernspaltung werden größere Atome, wie beispielsweise Uran oder Plutonium, gespalten. Dabei wird eine große Menge an Strom erzeugt, jedoch entstehen auch radioaktive Abfälle. Bei der Kernfusion werden Atome (in der Regel eine bestimmte Art von Wasserstoffatomen) miteinander verbunden, wobei mehr Energie freigesetzt wird als bei der Kernspaltung. Als Nebenprodukt entsteht Helium, das nicht radioaktiv ist und daher keine Probleme bei der Entsorgung oder Endlagerung giftiger Abfälle verursacht.

Wie lassen sich also die extremen Bedingungen schaffen, die für eine Fusionsreaktion erforderlich sind – ähnlich wie im Kern der Sonne? Eine Möglichkeit besteht darin, 192 Laserstrahlen mit einer Leistung von 5 Billionen Watt (über eine Dauer von 20 Nanosekunden) auf eine Brennstoffkugel mit einem Durchmesser von nur wenigen Millimetern zu fokussieren und diese auf 100.000.000 °C zu erhitzen.

Es ist genauso einfach, wie es klingt!

Genau das hat das NIF tatsächlich erreicht. Man kann sagen, dass das NIF das bislang größte und leistungsstärkste Lasersystem ist, dessen Komplexität und Präzision kaum vorstellbar sind.

Der NIF-Laser ist in einem Gebäude untergebracht, das so groß ist wie drei American-Football-Felder. Er beginnt mit der Leistung eines einzelnen Infrarot-Faserlasers, die dann aufgeteilt und mehrfach verstärkt wird, um die zuvor erwähnten 192 unabhängigen Laserstrahlen zu erzeugen. Darin befinden sich verschiedene Strahlsteuerungs- und Umwandlungsoptiken, die für den ordnungsgemäßen Betrieb sorgen und die gewünschten Ergebnisse liefern. Dazu gehören nichtlineare Kristalle, die den Infrarotlaser in ultraviolettes Licht umwandeln, damit er besser mit den Kernbrennstoffpartikeln harmoniert.

Coherent ist auf Hochleistungslaseroptik spezialisiert

Coherent leistete einen Beitrag zu diesem Projekt durch die Lieferung der keilförmigen Fokussierlinsen (WFL), die in der vom NIF als „endgültige optische Baugruppe“ bezeichneten Komponente zum Einsatz kommen. Diese ist Teil des Systems, das den Laserstrahl auf die Fusionspartikel fokussiert.

Jede WFL ist eine außeraxiale asphärische Linse mit den Abmessungen 400 mm × 400 mm und einer Brennweite von 7,7 Metern, die aus hochwertigem Quarzglas gefertigt ist. Wir setzen eine Reihe computergesteuerter Polier- und Messgeräte ein, um die außergewöhnlichen Genauigkeitsanforderungen des NIF an diese Komponenten zu erfüllen.

Einer der wichtigsten Aspekte bei der Herstellung von WFL ist es, das Risiko einer Beschädigung der optischen Komponenten durch die Absorption hoher Laserleistungen so gering wie möglich zu halten. Das bedeutet, dass Oberflächenverunreinigungen in jeder Produktionsphase vermieden werden müssen. Um dies zu gewährleisten, findet der gesamte Polierprozess dieser Komponenten unter Reinraumbedingungen statt. Darüber hinaus besteht der letzte Schritt bei der Herstellung von WFL darin, sie in ein Säurebad zu tauchen, um die äußere polierte Glasschicht abzutragen, in der sich Verunreinigungen oder unter der Oberfläche liegende Beschädigungen verbergen könnten, die die Leistung des Lasers beeinträchtigen würden.

Trotz all dieser Vorsichtsmaßnahmen bedeutetdie im NIF-Systemerzeugte enorme Laserenergie, dass die LebensdauervonWFLs undanderen optischen Komponentenbegrenzt ist und diese regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Daher beliefertCoherent diese NIFs mit einer stabilen Versorgung. Eine zentrale Anforderung dabei ist, dass diese Komponenten weder von Einheit zu Einheit noch im Laufe der Zeit Abweichungen aufweisen dürfen. Wir gehörenzu denwenigenHerstellernweltweit, diein der Lage sind, solche präzisen asphärischen Optiken mit großem Durchmesserkontinuierlich in großen Stückzahlen zu produzieren.

Allerdings steigert das NIF die von seinen Lasern erzeugte Leistung kontinuierlich. Angesichts der stetig wachsenden Nachfrage nach WFL müssen wir daher unsere Fertigungsverfahren ständig verbessern, um noch bessere und reinere optische Oberflächen liefern zu können.

Die Wirkung der Annäherung an die Sonne

Obwohl der NIF-Laser extreme Bedingungen erreicht, hat er noch keine anhaltende Kernfusionsreaktion ausgelöst. Das ist natürlich auch bei anderen Anlagen noch nicht 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 die NIF diesem Ziel jedoch einen Schritt näher, indem sie eine Fusionsreaktion mit einer Energie von über 1,3 Terajoule (MJ) erzielte. Das ist achtmal mehr als ihr bisheriger Rekord. Außerdem sind wir damit der selbsttragenden Kernfusion einen großen Schritt näher gekommen.

Coherent freut sich sehr, dass unsere hochpräzisenoptischen Komponenten mit großem Durchmessereine wichtige Rollebeider NIF sowiebei anderenhochmodernen Forschungsprojekten wiedem James-Webb-Weltraumteleskop unddem30-Meter-Teleskop spielen.

Relevante Ressourcen