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.
Das Target im Targethalter am Transportarm. Die beiden dreieckigen Schalen schließen das Target beim Transport gasdicht ein und halten es kalt. Sie werden erst kurz vor dem Laserschuss geöffnet.
Eingangsbereich der NIF-Halle

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. Anfänglich wurde verlautbart, Ziel sei auch die Trägheitsfusion als zivile Energiequelle.

Das erste direkt auf Zündung der Kernfusion gerichtete Experiment in der NIF erfolgte im September 2010. Der vom US-Kongress auferlegte Termin, Zündung (Ignition) der Kernfusion bis Ende September 2012 zu erreichen, konnte nicht eingehalten werden. 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 keine Priorität. Das Ziel eines Fusionsreaktors wird nicht mehr erwähnt.

Leitender Wissenschaftler ist John Lindl.

    Aufbau und Funktion

    In der NIF befindet sich der stärkste Laser der Welt. Die Laseranlagen nehmen den Großteil des Gebäudes ein, das drei Fußballfelder groß ist. Ein Laserpuls von 15 Nanosekunden Dauer, verteilt auf 192 Strahllinien, bringt eine Energie von einigen Megajoule in die evakuierte Targetkammer. 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 kleinen vergoldeten Metallzylinder. Die beiden Öffnungen an den Enden des Zylinders sind zum Wärmeschutz mit jeweils zwei Lagen extrem dünner Folie abgedeckt. Die äußere Folie erwärmt sich durch die Umgebungsstrahlung auf 25 K, genug um im Vakuum der Kammer einen womöglich vorhandenen Hauch kondensierter Luft verdampfen zu lassen. Die Folien sind aber transparent für die Laserstrahlen, die an der Kapsel vorbei (indirect drive) an die innere Oberfläche des Zylinders zielen. Gold ist bei der Laserwellenlänge von 351 nm schwarz. Die Laserenergie thermalisiert innerhalb der Pulsdauer und füllt den Zylinder mit Röntgenstrahlung (Hohlraumstrahlung). Die Oberfläche der Kapsel verwandelt sich in ein schnell expandierendes Plasma. Der Rückstoß der Expansion beschleunigt die Kugelschale auf eine Geschwindigkeit von einigen 100 km/s. Wenn es gelingt, dass sie weitgehend symmetrisch das Zentrum erreicht, dann wird dort bei Temperaturen von 50 bis 100 Millionen Kelvin und einer Dichte, die jene von Blei hundertfach übertrifft, die Zündschwelle erreicht, bei der die Fusionsreaktion thermisch durchgeht. Dann würde die Fusionszone innerhalb von wenigen 10 Pikosekunden von innen nach außen wandern; dabei soll etwa die Hälfte des Materials fusionieren und mehr Energie freisetzen, als zur Zündung nötig war.

    Stand der Experimente

    Nach der Inbetriebnahme der Systeme ab Januar 2010 wurde zum ersten Mal Ende September 2010 eine Dichte und Temperatur erreicht, bei denen das Deuterium-Tritium-Gemisch überhaupt reagiert. Im Februar 2014 wurde im Magazin Nature ein Artikel veröffentlicht, wonach es Ende 2013 gelungen ist, durch Kernfusion mehr Energie als die rund 10 kJ freizusetzen, die zuvor durch Kompression in die Reaktionszone eingebracht wurden.

    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. Die Targetkammer besteht aus 10 cm dickem Aluminium. Bei einem Schuss mit erfolgreicher Fusionszündung wird sie durch die freigesetzten schnellen Neutronen radioaktiv; insbesondere entsteht Natrium-24, ein Beta- und 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 zur Simulation von Kernwaffenexplosionen als Ersatz für die früher durchgeführten Waffentests sollte die Einrichtung auch der Erforschung der Trägheitsfusion zur friedlichen Energiegewinnung dienen.

    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
    • Frequenz verdreifacht: Wellenlänge 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-$, Fertigstellung 2002
    • tatsächliche Kosten: 3,4 Milliarden US-$
    • 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

    • 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

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