National Ignition Facility

Datei:National Ignition Facility, building layout, Livermore CA.jpg

NIF (Überblick): Der Seed-Laserimpuls (1053 nm) wird in die Vorverstärker (links hinten) aufgeteilt, die er mehrfach durchläuft. Nach Aufteilung, Blenden und weiterer Verstärkung gelangen die Strahlen zur Target-Kammer rechts unten und werden kurz vor der Fokussierung auf das Target frequenzvervierfacht.

Datei:Nif-shot target-arm-before big.jpg

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

Datei:Exterior patio of the National Ignition Facility.jpg

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 US-amerikanischen Kernwaffen ohne ober- oder 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.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20130221200756

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  }} Abgerufen am 12. September 2011</ref> Der vom US-Kongress auferlegte Termin, Zündung ({{#invoke:Vorlage:lang|flat}}) der thermonuklearen Kernfusion bis Ende September 2012 zu erreichen, konnte nicht eingehalten werden;<ref>A Big laser Runs Into Trouble. NYT vom 6. Oktober 2012, abgerufen am 11. Oktober 2012</ref> das Target konnte nur auf die halbe berechnete Dichte komprimiert werden. Das Ziel eines Fusionsreaktors wird 2012 nicht mehr erwähnt.<ref>Report defines new path for NIF. optics.org, 19. Dezember 2012.</ref>

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 6000 m² bedeckt und 10 Stockwerke groß ist. Ein Laserpuls von 15 Nanosekunden Dauer, verteilt auf 192 Strahllinien, bringt eine Energie von einigen Mega joule in die evakuierte Targetkammer.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20130216185524

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  }} NIF home.</ref><ref>Sam Naghshineh: Deformable mirror and the National Ignition Facility, 8. Juli 2013.</ref> Der Fusionsbrennstoff, ein Gemisch aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium, befindet sich als dünne, gefrorene Schicht (18 Kelvin) 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 dünner Folie abgedeckt. Die äußere Folie erwärmt sich durch die Umgebungsstrahlung auf 25 K, genug, um im Vakuum der Kammer einen womöglich vorhandenen Rest kondensierter Luft verdampfen zu lassen.<ref>LLNL: Targeting Ignition. In: Science & Technology Review, 6/2012.</ref> Die Folien sind aber durchlässig für die Laserstrahlen, die an der Kapsel vorbei ({{#invoke:Vorlage:lang|flat}}) auf die innere Oberfläche des Zylinders zielen. Gold ist bei der Laserwellenlänge von 351 nm schwarz, absorbiert die Strahlung also vollständig. 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 genügend symmetrisch das Zentrum erreicht, wird dort bei Temperaturen von 50 bis 100 Millionen Kelvin und einer Dichte, die jene von Blei hundertfach übertrifft,<ref name="sz1">{{#if:2013-10-25|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20131025003649/https://lasers.llnl.gov/programs/psa/fusion_energy/%7C{{#if:Fusion Energy: High-power Lasers for Clean Energy|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20131025003649/https://lasers.llnl.gov/programs/psa/fusion_energy/}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Fusion Energy: High-power Lasers for Clean Energy}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://lasers.llnl.gov/programs/psa/fusion_energy/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C1}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Fusion Energy: High-power Lasers for Clean Energy}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://lasers.llnl.gov/programs/psa/fusion_energy/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Fusion Energy: High-power Lasers for Clean Energy}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:1NIF homehttps://web.archive.org/web/20131025003649/https://lasers.llnl.gov/programs/psa/fusion_energy/{{#if: 2012-11-15 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Stand der Experimente

Nach der Inbetriebnahme der Systeme ab Januar 2010<ref>Gelungene Generalprobe für Laserfusion. Heise Online News, abgerufen am 11. Februar 2010</ref> wurde zum ersten Mal Ende September 2010<ref name="photonics.com">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:1st Successful Ignition Experiment at NIF|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=1st Successful Ignition Experiment at NIF}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=44759&refer=weeklyNewsletter%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=1st Successful Ignition Experiment at NIF}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=44759&refer=weeklyNewsletter}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=1st Successful Ignition Experiment at NIF}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:photonics.com2010-10-25{{#if: 2010-10-28 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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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 dienten.<ref>Laser fusion nears crucial milestone. In: Nature, 7. März 2012.</ref> Die Targetkammer besteht aus 10 cm dickem Aluminium.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20120502212842

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  }} S. 56</ref> Bei einem Schuss mit nennenswerter Freisetzung schneller Neutronen wird sie radioaktiv; insbesondere entsteht Natrium-24, ein Beta- und Gammastrahler mit 15 Stunden Halbwertszeit. Dann sind mehrere Tage Abklingzeit nötig, bevor Personal die Kammer zur Vorbereitung des nächsten Schusses betreten kann.

Im Juni 2016 wurde in einem Bericht der zum Department of Energy gehörenden National Nuclear Security Administration mit wissenschaftlichen Argumenten bezweifelt, ob mit NIF die Zündung eines Fusionsplasmas jemals erreicht werden kann.<ref>D. Kramer: Artikel. In: Physics Today, Juni 2016</ref>

2017 gelang es, mittels der Anlage Wirkungsquerschnitte, die zum Verständnis des Wasserstoffbrennens in Sternen wichtig sind, unter sternähnlichen Bedingungen zu messen.<ref name="Casey">D. T. Casey, D. B. Sayre u. a.: Thermonuclear reactions probed at stellar-core conditions with laser-based inertial-confinement fusion. In: Nature Physics. 2017, doi:10.1038/nphys4220.</ref>

2021 berichtet das LLNL über die Erzeugung von 1,35 MJ Fusionsenergie nach dem Einsatz von 1,9 MJ Laserenergie.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:National Ignition Facility experiment puts researchers at threshold of fusion ignition|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=National Ignition Facility experiment puts researchers at threshold of fusion ignition}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=National Ignition Facility experiment puts researchers at threshold of fusion ignition}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=National Ignition Facility experiment puts researchers at threshold of fusion ignition}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2022-12-14 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Im Dezember 2022 wurde berichtet, Kernfusionen des Instituts hätte ca. 150 % der Energie ergeben, der dieser direkt über Laser zugeführt wurde (3,15 MJ Output / 2,05 MJ Input).<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2022-12-14 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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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.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:Newsweek Staff|Newsweek Staff: }}{{#if:|{{#if:Inside Livermore Lab’s Race to Invent Clean Energy|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Inside Livermore Lab’s Race to Invent Clean Energy}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.newsweek.com/inside-livermore-labs-race-invent-clean-energy-77037%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Inside Livermore Lab’s Race to Invent Clean Energy}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.newsweek.com/inside-livermore-labs-race-invent-clean-energy-77037}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Inside Livermore Lab’s Race to Invent Clean Energy}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:2009-11-13{{#if: 2022-12-14 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Daten des NIF-Lasers

Anzahl Strahlengänge (beam lines): 192
Apertur des Lasermediums: 40 × 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 21.368 m²
geplante Kosten und Bauzeit (Stand 1994): 1,2 Milliarden US-$, Fertigstellung 2002<ref name="sz1" />
tatsächliche Kosten: 3,4 Milliarden US-$
Fertigstellung: Mai 2009
Erster „full system“ Schuss mit >1 MJ: Oktober 2010

Literatur

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Weblinks

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Radioreportage über NIF Deutschlandfunk.
The Big Picture The National Ignition Facility

Einzelnachweise

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