Magnetfelder haben das Potenzial, die Effizienz von laserinitiierten Fusionsreaktoren mit Trägheitseinschluss zu verdreifachen, indem sie die aufkeimende Reaktion „isolieren“. Zu diesem Schluss kommen Forscher der National Ignition Facility am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien. Die Ergebnisse, so das Team, könnten dazu beitragen, den Weg zum heiligen Gral der Fusionsforschung zu ebnen – einem nachhaltigen Reaktor, der mehr Energie produziert, als für seinen Betrieb benötigt wird.
In ihrer einfachsten Form beinhaltet die Trägheitsfusion die Verwendung synchronisierter Laserpulse, um eine mit kaltem Wasserstoff gefüllte Kapsel zu implodieren. Dadurch wird der Brennstoff erhitzt, wodurch ein Punkt aus brennendem Plasma entsteht, der eine sich selbst erhaltende Fusionsreaktion auslöst.
Das Problem bei diesem Ansatz besteht jedoch darin, dass, wenn die Oberfläche des Brennstoffpellets kleine Mängel aufweist oder wenn die Laser nicht perfekt getaktet sind, die Implosionen möglicherweise nicht die erforderliche Fusionsenergie erzeugen.
Beide Probleme können jedoch überwunden werden, wenn der Kraftstoff auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt werden kann – wodurch das System weniger anfällig für solche Probleme ist.
Im Jahr 2012 zeigten Physiker der OMEGA-Laseranlage der University of Rochester, dass es möglich ist, die Erwärmung solcher Fusionssysteme und damit die Reaktionsausbeute zu verbessern, indem ein Magnetfeld verwendet wird, um die heißeste Region des Brennstoffs zu „isolieren“. .
Wie der Forschungsphysiker Dr. John Moody vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien es ausdrückt, wirkt dieses Magnetfeld im Wesentlichen „wie eine dicke Styroporhülle, die Ihren Kaffee heiß hält, ohne sich die Hand zu verbrennen“.
Die Funktionsweise ist allerdings etwas komplizierter als die isolierenden Eigenschaften von Styropor. Insbesondere zwingt das Magnetfeld Elektronen im Plasma, spiralförmigen Pfaden entlang der Feldlinien zu folgen.
Dadurch kommt es seltener zu Kollisionen. Infolgedessen wird der Wärmefluss von der heißen Stelle zum kälteren umgebenden Kraftstoff verlangsamt – wodurch die heiße Stelle heißer bleibt.
Während sich der Ansatz der magnetischen Isolierung in der OMEGA-Anlage als vielversprechend erwies, ist die Portierung auf kompliziertere Versionen der Trägheitseinschlussfusion mit Komplikationen verbunden.
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Das weltweit größte Fusionsexperiment mit Trägheitseinschluss befindet sich in der National Ignition Facility in Livermore, Kalifornien. Dieses Gerät verwendet jedoch ein anderes Design, das als „indirekter Antrieb“ bezeichnet wird – bei dem Laser nicht die Brennstoffkapsel erhitzen, sondern einen umgebenden hohlen Goldzylinder.
Dadurch leuchtet der Zylinder mit Röntgenstrahlen, die wiederum die Brennstoffkapsel erhitzen, sie implodieren lassen und von diesem Punkt an ähnlich wie bei der direkten Annäherung eine Fusion auslösen.
Der Versuch, ein starkes Magnetfeld an den Zylinder anzulegen, um die Temperatur der Reaktion zu erhöhen, würde jedoch mehr schaden als nützen – da das Feld zerstörerische elektrische Ströme im Gold induzieren würde.
Um dies jedoch zu umgehen, versuchten Dr. Moody und seine Kollegen, eine Ersatzlegierung mit geringer elektrischer Leitfähigkeit zu finden, um das reine Gold im Zylinder zu ersetzen, und entschieden sich schließlich für eine Legierung aus Gold und Tantal, die beide Röntgenstrahlen emittieren können wenn sie erhitzt werden, vertragen aber auch ein hohes Magnetfeld.
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Um zu testen, ob die Gold-Tantal-Legierung in der Praxis funktionieren würde, führte das Team Experimente mit einem Zylinder aus diesem Material und einer Brennstoffkapsel durch, die mit reinem Deuterium gefüllt war – einem Wasserstoffisotop, das aus einem Proton und einem Neutron besteht.
Die Forscher legten kurz vor dem Abfeuern der Laser ein 26-Tesla-Magnetfeld an die Legierung an, indem sie einen Strom durch einen Draht leiteten, der um den Zylinder gewickelt war. Sie fanden heraus, dass die Legierung nicht nur wie erhofft funktionierte, sondern dass die Hinzufügung des Magnetfelds die Temperatur der lasererzeugten Hotspots um 40 Prozent erhöhte.
Dies führte zu einer Energieausbeute – gemessen an der Anzahl der durch den Fusionsprozess erzeugten Neutronen – die dreimal höher war als ohne den Magneten.
In Zukunft, so die Forscher, könnten leistungsstärkere Experimente, die zwei Arten von Wasserstoffbrennstoff gleichzeitig verwenden, auch eine weitere Leistungsverbesserung erzielen, da hochenergetische Partikel, die durch die Fusionsreaktionen freigesetzt werden, von Feldlinien eingefangen werden und mehr Wärme an der heißen Stelle abgeben bevor sie fliehen können.
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.