National Ignition Facility

Querschnitt durch das NIF. Der Laserimpuls wird in dem Raum rechts vom Zentrum erzeugt und in die Strahlführungen (blau) sowie weiter zu den Verstärkern (violett) geleitet. Nach mehrmaligem Passieren der Verstärker wird das Licht durch Filter (blau) gereinigt und in das "Schaltfeld" (rot) geleitet, die es weiter in die Zielkammer (silber) führt. In der oberen linken Ecke findet sich die Montagehalle für optische Gläser. Drei Fußballfelder würden in das NIF hineinpassen.

Das Target im für den Laserschuss auf supraleitende Temeperaturen zu kühlenden Targethalter im Transportarm

Eingangsbereich der NIF Halle, die eine Fläche von annähernd drei Footballfeldern einnimmt

Die National Ignition Facility (NIF) ist eine Einrichtung des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore, Kalifornien, Vereinigte Staaten und wird von der National Nuclear Security Administration (NNSA) betreut. In dieser Anlage, die 2009 fertiggestellt wurde, finden Experimente zur Trägheitsfusion statt. Zweck ist die Simulation von Kernwaffenexplosionen, um die Funktionssicherheit der amerikanischen Kernwaffen ohne unterirdische Kernwaffentests zu gewährleisten. Die Versuche sollen auch der Untersuchung der Trägheitsfusion als friedlicher Energiequelle dienen.

Das erste direkt auf Zündung der Kernfusion gerichtete Experiment in NIF erfolgte im September 2010.^[1] Der vom US-Kongress auferlegte Termin, Zündung (Ignition) der Kernfusion bis Ende September 2012 zu erreichen, konnte nicht eingehalten werden.^[2] Das Target wird nur auf die halbe berechnete Dichte komprimiert, sodass weitere Experimente zunächst darauf abzielen sollen, die auch für das Kernwaffenprogramm benötigten Berechnungsmodelle zu verbessern. Das Erreichen des Brennens ist dafür unverzichtbar, hat aber für die nächsten drei Jahre^vorbeiVorlage:WarnungVorlage:Zukunft/Ohne Kategorie keine Priorität. Das Ziel eines Fusionsreaktors wird nicht mehr erwähnt.^[3]

Leitender Wissenschaftler ist John Lindl.

Aufbau und Funktion

Im NIF befindet sich der stärkste Laser der Welt. Die Laseranlagen nehmen den Großteil des Gebäudes ein, das drei Fußballfelder groß ist. Diese Laser bringen UV-Pulse von unter 20 Nanosekunden Dauer und mehr als einem Megajoule Energie in die evakuierte Targetkammer.^[4] Dies entspricht einer Leistung von bis zu 500 Terawatt. Der Fusionsbrennstoff, ein Gemisch aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium, befindet sich als dünne, gefrorene Schicht (18 K) an der Innenseite einer 2 mm kleinen, kugeligen Kunststoffkapsel mittig in einem zierlichen, vergoldeten Metallzylinder. Durch dessen Öffnungen an beiden Enden gelangen die 192 Laserstrahlen hinein, an der Kapsel vorbei, an die innere Oberfläche des Zylinders, wo thermische Röntgenstrahlung entsteht, die auch die Oberfläche der Kapsel in ein schnell expandierendes Plasma verwandelt (indirect drive durch Hohlraumstrahlung). Der Rückstoß der Expansion beschleunigt die Kugelschale auf eine Geschwindigkeit von 1,5 Millionen km/h. Wenn es gelingt, dass sie weitgehend symmetrisch das Zentrum erreicht, dann wird dort bei Temperaturen von 100 Millionen Grad und einer Dichte, die jene von Blei 100fach übertrifft,^[5] die Zündschwelle erreicht, bei der die Fusionsreaktion thermisch durchgeht. Dann würde die Fusionszone innerhalb von ca. 10 Pikosekunden von innen nach außen wandern; dabei soll ca. die Hälfte des Materials fusionieren und mehr Energie frei werden als zur Zündung nötig waren.

Stand der Experimente

Nach der Inbetriebnahme der Systeme ab Januar 2010^[6] wurde zum ersten Mal Ende September 2010^[7] eine Dichte und Temperatur erreicht, bei denen das Deuterium-Tritium-Gemisch überhaupt reagiert. Die Zündung wurde bisher jedoch noch nicht erreicht.

Die Versuchskapazität der Anlage ist begrenzt, da jeder einzelne "Schuss" aufwendig vorbereitet werden muss. Im Jahre 2011 wurden etwa 310 Schüsse durchgeführt, von denen rund die Hälfte der Erforschung der Kernfusion gewidmet waren.^[8]

Die Targetkammer besteht aus 10 cm dickem Aluminium.^[9] Bei einem Schuss mit erfolgreicher Fusionszündung wird sie durch die freigesetzten schnellen Neutronen radioaktiv; insbesondere entsteht Natrium-24, ein Gammastrahler mit 15 Stunden Halbwertszeit. Deshalb werden dann mehrere Tage Abklingzeit nötig sein, bevor Personal die Kammer zur Vorbereitung des nächsten Schusses betreten kann.

Ziele der Versuche

Neben den Experimenten im Rahmen des Stockpile Stewardship Program zur Simulation von Kernwaffenexplosionen als Ersatz für die früher durchgeführten Waffentests sollte die Einrichtung auch der Erforschung der Trägheitsfusion zur friedlichen Energiegewinnung dienen.^[10]

Daten des NIF-Lasers

• Anzahl Strahlengänge (beam lines): 192
• Apertur des Lasermediums: 40 x 40 cm
• Pumpquelle: Blitzlampen
• Lasermedium: Nd:Glas (Phosphat)
• Fundamentalwellenlänge: 1053 nm
• frequenzverdreifacht: 351 nm
• Effizienz (Pumplicht-UV): 0,7 %
• Pulsenergie pro Strahl: 18,75 kJ
• Fokus (Strahldurchmesser am Target): 5-faches der Beugungsbegrenzung
• Schusswiederholrate: 4 bis 6 Pulse pro Tag
• Raumfläche des Gebäudes: 230.000 sq ft, entspricht etwa 21.368m²
• geplante Kosten und Bauzeit (Stand 1994): 1,2 Milliarden US-$, Fertigstellung 2002^[5]
• tatsächliche Kosten: 3,4 Milliarden US-$
• Fertigstellung: Mai 2009
• Erster "full system" Schuss mit > 1 MJ: Oktober 2010

Literatur

• Philip Bethge: Disneyland für Physiker. In: Der Spiegel. Nr. 45, Hamburg 2009, 144f. ISSN 0038-7452

Weblinks

Commons: National Ignition Facility – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Vorlage:Commonscat/WikiData/Difference

• High-Power Solid-State Lasers - The Mercury laser moves toward practical laser fusion. In: LaserFocusWorld. März 2009. (englisch)
• Offizielle Website
• Radioreportage über NIF In: Deutschlandfunk.
• The Big Picture The National Ignition Facility

Einzelnachweise