Coherent und NIF: Einen Schritt näher an der Schaffung einer Fusions-Energiequelle

Das größte Lasersystem der Welt nähert sich mit Hilfe von Large-Aperture Optics von Coherent dem Ziel der autarken Fusion

1. Februar 2021 von Coherent

Optogenetik

Du lebst aufgrund von Kernfusion. Das ist es, was unsere Sonne antreibt, und die Sonne liefert all die Energie, die das Leben auf der Erde erhält. Seit den 1940er Jahren versuchen Wissenschaftler, die Kernfusion zur Stromerzeugung auf der Erde zu nutzen. In der National Ignition Facility (NIF) in den Vereinigten Staaten ist man diesem Ziel kürzlich einen kleinen Schritt näher gekommen.

Haben wir nicht schon Atomkraft?

Kernkraftwerke erzeugen heute Energie durch Kernspaltung. Bei der Spaltung wird ein großes Atom, wie Uran oder Plutonium, gespalten. Dabei entsteht viel Strom, aber auch radioaktiver Abfall. Bei der Fusion werden Atome – in der Regel spezielle Arten von Wasserstoffatomen – miteinander verbunden und noch mehr Energie freigesetzt als bei der Spaltung. Ihr Nebenprodukt ist Helium, das nicht radioaktiv ist, so dass es keine Probleme mit der Handhabung oder Entsorgung von Giftmüll gibt.

Wie schafft man also die extremen Bedingungen – wie sie im Zentrum der Sonne bestehen –, die für eine Fusionsreaktion erforderlich sind? Eine Möglichkeit besteht darin, 192 Laserstrahlen mit einer Leistung von 500 Billionen Watt (für 20 Nanosekunden) auf ein Brennstoffpellet mit einem Durchmesser von nur wenigen Millimetern zu richten, um es auf 100.000.000 °C zu erhitzen.

Das ist genau so einfach, wie es klingt!

Und das ist genau das, was die NIF tatsächlich leistet. Es genügt zu sagen, dass die NIF das größte und energiereichste Lasersystem ist, das je gebaut wurde, und dass es fast unvorstellbar komplex und ausgeklügelt ist.

Der NIF-Laser ist in einem Gebäude untergebracht, das die Größe von drei American Football-Feldern hat. Es beginnt mit dem Ausgang eines einzelnen Infrarot-Faserlasers und teilt ihn auf und verstärkt ihn mehrfach, um die bereits erwähnten 192 separaten Laserstrahlen zu erzeugen. Es gibt alle möglichen Arten von Strahlkonditionierungs- und Transformationsoptiken, damit das richtig funktioniert und die gewünschten Ergebnisse erzielt werden. Dazu gehören nichtlineare Kristalle, die das infrarote Laserlicht in ultraviolettes Licht umwandeln, das besser mit den Kernbrennstoffpellets funktioniert.

Coherent konzentriert sich auf Hochenergie-Laseroptiken

Coherent Tinsley trägt dazu bei, indem es die keilförmigen Fokuslinsen (WFLs – Wedged Focus Lenses) liefert, die in der so genannten „Final Optics Assembly“ von der NIF verwendet werden. Dies ist der Teil des Systems, der die Laserstrahlen auf das Fusionspellet fokussiert.

Jede dieser Fokuslinsen ist eine 400 mm x 400 mm große, asphärische Linse mit einer Brennweite von 7,7 m, die aus hochwertigem Quarzglas gefertigt ist. Wir setzen eine Reihe von computergesteuerten Polier- und Messinstrumenten ein, um den außergewöhnlichen Präzisionsgrad zu erreichen, den die NIF für diese Komponenten verlangt.

Eine der wichtigsten Überlegungen bei der Herstellung der WFLs ist die Minimierung des Risikos einer Beschädigung der Optik durch die Absorption der hohen Laserenergie. Das bedeutet, dass in jeder Phase der Produktion eine Verunreinigung der Oberfläche vermieden werden muss. Um dies zu erreichen, wird der gesamte Polierprozess für diese Komponenten unter Reinraumbedingungen durchgeführt. Und der allerletzte Schritt für die WFLs ist das Eintauchen in ein Säurebad, um die äußere polierte Glasschicht wegzuätzen, in der sich möglicherweise Verunreinigungen oder unter der Oberfläche liegende Schäden verbergen, die die Leistung des Lasers beeinträchtigen könnten.

Trotz all dieser Vorsichtsmaßnahmen bedeutet die enorme Laserenergie, die im NIF-System erzeugt wird, dass die WFLs und andere Optiken eine endliche Lebensdauer haben und ständig ersetzt werden müssen. Coherent Tinsley liefert also einen ständigen Nachschub an die National Ignition Facility. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist, dass sich diese Komponenten nicht von Gerät zu Gerät oder im Laufe der Zeit ändern. Wir sind einer der wenigen Hersteller auf der Welt, die solche präzisions-asphärischen Optiken mit großer Apertur in hoher Stückzahl produzieren können.

Jedoch erhöht die NIF die Leistung, die ihr Laser erzeugt, immer weiter. Wir müssen also unsere eigenen Herstellungsprozesse kontinuierlich verbessern, um immer bessere und makellosere optische Oberflächen zu liefern, während die Anforderungen an die WFLs steigen.

Hier kommt die Sonne

Trotz der extremen Bedingungen, die der NIF-Laser erreicht, hat er noch keine anhaltende Kernfusionsreaktion erzeugt. Das hat auch sonst niemand. Konkret geht es darum, eine Zündung zu erreichen, also eine Fusionsausbeute, die größer ist als die zugeführte Laserenergie.

Aber am 8. August 2021 kam die NIF diesem Ziel einen Schritt näher, indem man eine Fusionsreaktion erzeugte, die mehr als 1,3 Megajoule (MJ) an Energie produzierte. Das ist 8 Mal mehr als ihr bisheriger Rekord. Und es bringt uns verlockend nahe an eine sich selbst erhaltende Fusion.

Coherent Tinsley ist begeistert, dass unsere hochpräzisen Optiken, mit großer Apertur eine wichtige Rolle in der NIF sowie in anderen Spitzenforschungsprojekten wie dem James-Webb-Weltraumteleskop und dem Thirty Meter Telescope spielen.

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