Wie Meilensteine zu Durchbrüchen werden und was der shutdown damit zu tun hat

BLOG: Formbar

Plasmen im Mittelpunkt
Formbar

Im Internet sorgte vor ein paar Tagen die Meldung für Aufsehen, dass amerikanische Forscher einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Kernfusion passiert hätten. Leider ist aus ihrem Labor aufgrund des shutdowns keine offizielle Stellungsnahme zu bekommen – die PR-Abteilung wurde in den Zwangsurlaub geschickt. Da die ursprüngliche Meldung nicht allzu viele Details enthält, sorgen wilde Gerüchte und Spekulationen momentan für etwas Verwirrung.

Den Stein ins Rollen brachte am 7. Oktober ein BBC News Artikel. Amerikanische Forscher passieren Meilenstein in der Fusionsforschung, heißt es dort. Ende September sei es den Forschern der amerikanischen National Ignition Facility (NIF) gelungen, erstmals mehr Energie durch Fusionsreaktionen zu erzeugen als notwendig war diese zu starten. Wahrlich, das klingt beeindruckend! Aber vielleicht sollten wir uns erstmal anschauen, was die Kollegen am NIF eigentlich machen.

Fusionieren zwei leichte Atomkerne miteinander, so hat das Fusionsprodukt weniger Masse als die Summe der Massen der beiden leichten Atomkerne, die fehlende Masse wird in Form von Energie frei. Diesen Effekt bezeichnet man als Massendefekt und er funktioniert umgekehrt auch bei schweren Atomkernen: das Prinzip der Kernspaltung. Die freiwerdende Energie (pro Masseneinheit des Brennstoffes) ist bei der Kernfusion erheblich größer als bei der Kernspaltung. Allerdings muss man bei der Kernfusion erst einmal sehr hohe Energien aufwenden um die positiv geladenen Atomkerne nahe genug aneinander bringen, positive Ladungen stoßen sich schließlich ab. Man benötigt einen sehr hohen Druck für eine bestimmte Zeitspanne. In der Sonne sorgt die Gravitation für den notwendigen Druck. Außerdem spielt die Größe der Sonne eine entscheidende Rolle: es müssen dort nicht besonders viele Fusionsprozesse pro Zeiteinheit in einem bestimmten Volumen ablaufen, da das Gesamtvolumen einfach unheimlich groß ist.

Auf der Erde verfolgt man andere Ansätze, um den notwendigen Druck zu erzeugen. Druck ist ein Produkt aus Temperatur und Dichte und entsprechend bieten sich verschiedene Realisierungen an. Bei den beiden bekanntesten handelt es sich zum einen um den magnetischen Einschluss: ein Magnetfeld schließt das heiße Plasma ein und zwingt die Teilchen auf bestimmte Bahnen (Stichwort Lorentzkraft). So kann man im Labor sehr hohe Temperaturen erreichen, die sogar die im Zentrum der Sonne übersteigen. Nach diesem Prinzip funktionieren ITER oder W7-X, siehe auch meine älteren Artikel (z. B. dieser hier). Das zweite der beiden bekanntesten Konzepte wird als Inertialfusion oder auch Trägheitsfusion bezeichnet. Anstatt, wie bei dem magnetischen Einschluss die Temperatur immer weiter zu erhöhen, wird hier die Dichte für eine sehr kurze Zeit extrem erhöht. Dabei wird der Brennstoff so stark komprimiert, dass die Fusionsreaktionen einsetzen. Während dieses kurzen Zeitraums wird das Plasma (Materie liegt bei diesen Bedingungen als Plasma vor) ausschließlich durch seine eigene Trägheit zusammengehalten. Die Kompression kann man z.B. direkt durch Laserbeschuss erreichen oder indirekt: Ein Kügelchen Brennstoff wird inmitten eines Metallzylinders positioniert, dessen Innenwände mit starkem Laserlicht bestrahlt werden. Die dabei entstehende Strahlung (Stichwort: Hohlraumstrahlung) im Röntgenbereich komprimiert nun das Brennstoffkügelchen.

Künstlerische Darstellung des Hohlraum-Zylinders, in dessen Innerem sich das ca. 2 mm große Brennstoffkügelchen befindet, sowie der Laserstrahlen, welche die Innenwand des Zylinders soweit erhitzen, dass diese Röntgenstrahlung emittieren.
Künstlerische Darstellung des Hohlraum-Zylinders, in dessen Innerem sich das ca. 2 mm große Brennstoffkügelchen befindet, sowie der Laserstrahlen, welche die Innenwand des Zylinders erhitzen, damit diese Röntgenstrahlen emittieren. Quelle: LLNL

Experimente an NIF laufen nach dem letztgenannten Prinzip ab. Die Anlage wurde 2009 fertiggestellt und beherbergt die leistungsstärkste Laseranlage der Welt. Innerhalb eines Pulses von wenigen Nanosekunden Dauer werden auf 192 Laserstrahlen aufgeteilt ca. 1.8 MJ an Energie in die Kammer eingebracht, die den Hohlraum-Zylinder enthält.

Blick in die Vakuumkammer in NIF
Blick in die Vakuumkammer in NIF; man erkennt in den Wänden im Hintergrund die Löcher für die Laserstrahlen sowie im Vordergrund einen Techniker, der an der Halterung für den Hohlraum-Zylinder arbeitet (am linken Ende der Halterung zu sehen). Quelle: wikipedia

In der BBC-Meldung heißt es nun, dass die Energie, welche durch die Fusionsreaktion freigesetzt wurde, diejenige übersteigt, die durch den Brennstoff absorbiert wurde. Diese Meldung sorgte für Aufsehen, Durchbruch in der Fusionsforschung, las man daraufhin auf einigen News-Seiten. Allerdings handelt es sich eher um einen wichtigen Schritt oder einen Meilenstein, den die Kollegen vom NIF passiert haben, nicht wirklich um den Durchbruch auf den einige der News-Seiten anspielen.

Warum soll das jetzt kein Durchbruch sein?

Dazu muss man sich die BBC-Meldung noch einmal genau anschauen: Es geht um die Energie, die tatsächlich vom Brennstoff absorbiert wurde, nicht um die Laserenergie, die in das Vakuumgefäß eingestrahlt wurde. Also geht es nicht um die Gesamtbilanz und dass ist leider teilweise missverstanden worden. Leider liefert BBC hier keine weiteren Daten, auch nicht, wo sie ihre Informationen her haben. ScienceInsider und The Telegraph sind da etwas ausführlicher (sollte ich sagen: sorgfältiger?): Die Meldung beruht auf einem internen Memo (wohl eine email) des NIF Direktors Ed Moses vom 29. September, in der von einem Experiment die Rede ist, bei dem ca. 14 kJ an Fusionsenergie freigesetzt wurden. Dieser Werte übersteige die absorbierte Energie durch die Röntgenstrahlung, welche nach ersten Abschätzungen bei ca. 10 kJ liegen würde.

Wie gesagt, das ist ein beeindruckendes Experiment, aber eben nicht der große Durchbruch wie er in einigen Medien verstanden wurde. Von den gesamten Laserenergie wird offensichtlich nur ein Teil für die Kompression des Brennstoffes verwendet, was die folgende wikipedia-Grafik sehr schön verdeutlicht:

Laserenergie zu Hohlraum x-ray Konversion.
Schematische Darstellung der tatsächlich aufgewendeten Energie zur Kompression des Brennstoffes. Quelle: wikipedia

Man muss also die 14 kJ mit dem eingangs erwähnten Wert von 1.8 MJ in Zusammenhang setzten, was ein Verhältnis von 0.0078 ergibt, also einen Wert von knapp unter 1%. Wie konnte es zu diesem Missverständnis kommen? Tja, das ist schnell beantwortet: Aufgrund des shutdown ist die PR-Abteilung des NIF in den Zwangsurlaub geschickt worden. Es gibt also keine offiziellen Informationen zu dem genannten Experiment. (Einzig auf dieser News-Seite habe ich zumindest die Zahlen bestätigt gefunden.) Und damit auch niemanden, der klarstellt, dass es sich um einen sehr wichtigen Schritt handelt aber eben noch ein paar Schritte zu gehen sind. Insofern wäre es sicherlich besser gewesen, wenn die Meldung erst etwas später zur Presse „geleakt“ wäre, und zwar sobald es der PR-Abteilung des NIF wieder gestattet ist ihre Arbeit aufzunehmen. Denn nicht immer ist jede Presse auch gute Presse. Gerade wenn von so wichtigen Begriffen wie Durchbruch inflationär Gebrauch gemacht wird und es über einen längeren Zeitraum keine offizielle Stellungsnahme gibt.

Ich bin jedenfalls schon auf die offizielle Pressemitteilung gespannt und ich rechne auch fest damit, dass der drohende Staatsbankrott in typischer Hollywood-Dramaturgie noch in letzter Minute abgewendet wird. Oder bin ich da etwa zu naiv?

Alf Köhn-Seemann

Veröffentlicht von

Alf Köhn-Seemann hat in Kiel Physik studiert und in Stuttgart über Mikrowellenheizung von Plasmen promoviert. Von 2010 bis 2015 war er dort als Post-Doc tätig. Nach mehreren Forschungsaufenthalten im englisch-sprachigen Raum, arbeitet er von 2015 bis Ende 2017 am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Seit Ende 2017 forscht und lehrt Alf Köhn-Seemann wieder an der Uni Stuttgart.

11 Kommentare

  1. Wurde in diesem Beitrag ein sprachlicher Meilenstein verpasst?
    Bei folgendem Satz bin ich gestolpert: “Fusionieren zwei leichte Atomkerne miteinander, so hat das Ausgangsprodukt weniger Masse als die Summe der Massen der beiden leichten Atomkerne, die fehlende Masse wird in Form von Energie frei.”

    Der Begriff Ausgangsprodukt ist hier höchste verwirrend. Es handelt sich sprachlich gesehen bei diesem Wort wohl um ein Oymoron und es gilt: “Das, was am Anfang da ist, ist der Ausgangsstoff bzw. das Edukt, das, was rauskommt der Endstoff bzw. das Produkt.”

    Mein Verbesserungsvorschlag:
    “Fusionieren zwei leichte Atomkerne miteinander, so hat das Fusionsprodukt weniger Masse als die Summe der Massen der beiden leichten Atomkerne, die fehlende Masse wird in Form von Energie frei.”

    Was solch ein shutdown doch alles für Auswirkungen hat! Unglaublich!

  2. Links vom Reaktionspfeil stehen die Edukte, rechts die Produkte, da haben Sie recht. In der Tat ist der Begriff “Ausgangsprodukt” hier verwirrend, danke für den Hinweis

  3. Dazu sollte man noch als Hintergrund wissen, dass bei den ersten Experimenten keine Fusion gesehen wurde, obwohl die Parameter eigentlich stimmten. Da das den wissenschaftlichen u.ae. Output der Anlage stark verringert haette, stand das NIF ziemlich unter Druck. Wahrscheinlich steht hinter diesem Artikel also lediglich “Wir sind uns ziemlich sicher, dass wir erstmals eine Fusion hinbekommen haben.”

    • Die National Ignition Facility wollte bis September 2012 den Fusions-break-even erreichen, also gleich viel Energie durch Fusion erzeugen wie hineingeschossen wird. Dieses Ziel wurde verfehlt: “The NIC officially ended on September 30, 2012 without achieving ignition”
      Die maximal freigesetzte Fusionsenergie wurde im August 2013 erreicht: ” The shot resulted in the highest DT neutron yield obtained to date, estimated at nearly 3 × 10^15 (three quadrillion), or almost 8,000 joules of fusion energy – nearly three times the yield of any previous DT ice layer shot.”
      Das NIF will (oder wollte) mit 192 gleichzeitig aktivierten Laserstrahlen aus einer einzigen Quelle und mit einer gleichartigen Strahlcharaktersitik die Fusion über den “central hot spot” – Ansatz erreichen. Doch scheinbar wird der Druck im Brennstoffkügelchen so zu gross und die äusseren Schichten lösen sich schalenartig ab.

      Schon längere Zeit wird ein anderer Ansatz empfohlen: Die zweistufige Zündung, “Fast Ignition” genannt. Hierbei wird das Brennstoffkügelchen mit einem ersten Lasersystem komprimiert und dann mit einem extrem kurzen und hochenergetischen zweiten Laserstrahl zur Zündung gebracht. In den Worten des NIF:
      “Fast ignition uses the same hardware as the hot spot approach but adds a high-intensity, ultrashort-pulse laser as the “spark” that achieves ignition. A deuterium-tritium target is first compressed to high density by lasers, and then the short-pulse laser beam delivers energy to ignite the compressed core – analogous to a sparkplug in an internal combustion engine.”

      Ich wette etwas darauf, dass das NIF in den nächsten Jahren auf den Fast-Ignition-Ansatz umsatteln wird.

  4. @Ulf
    das stimmt so nicht, man hat auch vorher schon Fusion “gesehen”, und zwar durch Messung der Neutronen, die durch die Fusionsreaktionen entstehen. Dieses mal sind es wohl allerdings noch ein paar mehr, so dass eben mehr Energie durch Fusion freigesetzt wurde, als Energie vom Brennstoffkügelchen absorbiert wurde.

  5. Gruesse vom LLNL! ich “leake” mal den Text an die Mitarbeiter:

    At 5:51 this Saturday morning, we successfully completed our next Deuterium-Tritium (DT) cryogenic layered fuel implosion experiment. All 192 beams delivered 1.82 megajoules of ultraviolet light into the Laser Entrance Holes (LEHs) in the target. The peak power was 395 trillion watts. Excellent target diagnostic data was obtained and data analysis has started. Initial indications are this shot provided a record neutron yield of ~5×10^15 neutrons (~14 kJ), almost 75% higher than the last record DT implosion yield. More importantly, the self-generated energy of this target exceeded the input energy of the imploding DT fuel. This is called scientific break-even. The amplification of the yield by nearly a factor of two as a result of “self-heating” is a clear demonstration of the mechanism that is needed to achieve ignition.
    Saturday’s shot was the latest in a series of carefully designed and incremental ignition experiments that have increased the yield more than five-fold since the first high foot DT experiment in May of 2013. This increase in yield has resulted both because the hydrodynamic compression energy going into the hot spot has gone up, and because of yield boost due to the additional “self-heating”. This comes about because the alpha particles, helium nuclei that are a by-product of the fusion process, deposit energy into the burning core increasing the rate of burn.
    This feedback process – more alphas result in more yield producing more alphas – is the mechanism that leads to ignition. This series of experiments has clearly demonstrated the beginnings of this process. Two memorable quotes are from leading fusion researcher Riccardo Betti, University of Rochester, saying simply, “Holy Cow!’ and from Omar Hurricane, this campaign’s lead scientist,
    “It’s going to be a while before the smile comes off my face”. I think that we all agree.
    The experiment is part of the ongoing “high foot” series of shots designed in a close
    collaboration between LLNL’s NIF and WCI scientists. Some interesting facts are that the DT ice layer was nearly flawless and all aspects of the laser and diagnostics worked as well as ever. There are many other interesting aspects of this experiment that we will be reporting on as the data is processed.
    Stay tuned.

  6. Lieber Dominik, vielen Dank für Ihre “geleakte” email. In der wird ja im Grunde alles gesagt und zwar auch so, dass keine Missverständnisse aufkommen. So wird das Experiment z.B. als klare Demonstration des Mechanismus beschrieben, der für die letztendliche Zündung verantwortlich ist. Allerdings taucht in der email der Wert von 10 kJ nicht auf, den beispielsweise der Telegraph als im Pellet deponierte Energie angibt… aber das wird vermutlich auch bald geklärt sein, denn am Ende der email wird ja bereits angekündigt, dass weitere Informationen folgen, sobald die Datenauswertung abgeschlossen ist, man darf also gespannt sein!

  7. Dafuer taucht der Wert ~14 kJ auf 🙂

    Der grosse Erfolg der neuen Experimente ist vor allem, dass die Vorhersagen der Simulationen ansatzweise reproduziert wird. “High Foot” bedeutet, dass die erste (Vor-)Kompressionsphase schneller ablaeuft. Dabei wird mehr Entropie in das DT-Fuel vor der eigentlichen Implosion gesteckt. Damit wird fuer die finale Kompression zwar mehr Energie fuer das Erreichen der gewuenschten Dichten benoetigt, gleichzeitig wird die Implosion aber viel stabiler gegenueber Instabilitaten (Rayleigh-Tailor …), die im zuvor verfolgten “low-foot design” zu sehr inhomogenen Implosionen gefuehrt haben.

    Um Ignition mit “high-foot” zu erreichen muss deshalb die Laser-Energie erhoeht werden. Mit NIF koennten bis zu 2.5 MJ moeglich sein… das koennte reichen … Es gibt aber noch viele weitere Ideen und Konzepte, die Hoffnung machen. Es ist halt meistens alles nicht so einfach, wie man am Anfang denkt :).

  8. Noch ein Wort zu Fast-Ignition: Auch das ist (schon in den Simulationen) nicht so einfach, wie man am Anfang dachte. Es ist sehr schwierig die Energie in dem Kurzpulslaser wirklich ins Zentrum des implodierten DT-Fuel zu bekommen. Das soll entweder durch Elektronen oder Ionen erreicht werden, die durch den Kurzpulslaser beschleuningt werden. Aufgrund der Coulomb-Abstossung zwischen den gleichgeladenen Spezies ist allerdings keine beliebig hohe Energiedichte moeglich.

    Wird daher noch ein bisschen dauern bis (erfolgreich) auf diesen Ansatz umgesattelt wird…

    • Fast-Ignition Experimente sind auch am NIF geplant wie man in der Präsentation Fast Ignition Program Overview erfährt. Dort liest man als Titel von Folie 21 “NIF will enable integrated fast ignition experiments with the actual full-scale fuel assembly required for high gain” Diese Folie zeigt einen Versuchsaufbau mit einer Öffnung im NIF-Holhraum durch den der Konus gesteckt wird, dessen Spitze bis fast zum Zentrum des Brennstoffkügelchens reicht. Der am häufigsten verfolgte Ansatz zu Fast-Ignition benutzt einen Kurzpulslaser, der im DT-Brennstoffkügelchen eine Kaskade von relativistisch schnellen Elektronen auslöst. Um die Distanz zum Zentrum zu verkleinern wird ein Konus benutzt, der im Brennstoffkügelchen steckt und dort fast bis zum Zentrum reicht. Im arxiv-Artikel Theory of Fast Electron Transport for Fast Ignition liest man dazu;
      “Fast Ignition Inertial Confinement Fusion is a variant of inertial fusion in which DT fuel is first compressed to high density and then ignited by a relativistic electron beam generated by a fast (<20 ps) ultra-intense laser pulse, which is usually brought in to the dense plasma via the inclusion of a re-entrant cone."

    • Die Geschichte von Fast Ignition zeigt für mich prototypisch das Hauptproblem in der Fusionsforschung: Entwicklungen und das Sammeln von Erfahrungen mit neuen Techniken und Methoden nehmen eine ungeheuer lange Zeitspanne in Anspruch. Der Begriff “Fast Ignition” beispielsweise wurde in den frühen 1990er Jahren geprägt und im Titel des 1999 erschienen Papiers The Case for Fast Ignition as an IFE Concept Exploration Program dann verwendet. In diesem Papier werden ihre Vorteile (Der Kompressionslaser benötigt bis zu 10 Mal weniger Leistung, verminderte Symmetriebedingungen, Ökonomie) herausgestellt. Die ersten Tests mit Fast Ignition wurden ebenfalls 1999 im Institut für Laserengineering (ILE) in Osaka durchgeführt. Zitat: “The experiments are performed with ultra-intense laser with 50 J energy, 0.5–1 ps pulse at 1053 nm laser wavelength at a laser intensity of 1019?W/cm2 .. On these shots, super hot electrons have been observed with its energy peak exceeding 1 MeV.”
      Dazu wurde das bereits 1983 gebaute GEKKO XII Lasersystem 1996/97 mit einem Ultra-Kurz-Laser von 0.5 Petawatt Maximalleistung ergänzt. Doch diese Anlage war und ist viel zu leistungsschwach um auch nur in die Nähe von ignition&Burn zu kommen. Der Bau eines Nachfolgelasers geschah dann im Rahmen des FIREX-Projekt ab 2003 und erst 2007 starteten die ersten Experimente mit zuerst 2 KiloJoule Inputleistung und noch ohne Kurzpulslaser. Und mit FIREX-I soll der Output höchstens 0.1 des break-even erreichen. Erst die Nachfolgeanlage FIREX-II, die frühestens 2015 fertig ist, soll dann den break-even erreichen.
      Auch der Bau und die Inbetriebnahme des US-amerikanischen National Ignition Institute begann schon 1997. Fertiggestellt und in Betrieb genommen wurde es erst im Jahr 2010. Pläne für Fast-Ignition Experimente auch im NIF gibt es schon länger, doch das primäre Fusionsprinzip im NIF ist ein anderes: Der “central hot spot” ignition approach, von dem man nur mit Sicherheit weiss, dass er keine sehr hohen “Gains” ermöglichen wird, so dass die durch die gesamte Laserleistung des NIF verbrauchte Energie viel grösser sein wird als die herausgeholte, selbst wenn scientific break-even um mehr als den Faktor 10 übertroffen wird, denn die Laser des NIF haben nur eine Effizienz im tiefen einstelligen Prozentbereich. Mit der NIF-Anlage wird letztlich Forschung in einem noch sehr frühen Stadium betrieben.
      Das europäische Hiper-Projekt setzt vollkomen auf den Fast-Ignition-Ansatz und will eine Anlage aufbauen, die bereits die Betriebsparameter späterer produktiver Fusionsanlagen bestimmen kann. Allerdings liest man jetzt auf der Homepage von HiPER, dass der Bau frühesten in der zweiten Hälfte der 2020er-Jahre beginnt.

      Die Fusionsforschung zieht sich also nicht nur beim Tokamak-Ansatz (ITER) über sehr lange Zeiträume, sondern auch beim Laserfusions-Ansatz. Diese langen Zeiträume lassen immer wieder die Frage aufkommen, ob das was da entstehe nicht zu komplex sei, um später einmal kostengünstig Strom erzeugen zu können.

Schreibe einen Kommentar