Rekord-Proton-Bor-Fusionsrate erreicht | FuseNet

Rekord-p-11B-Fusion erreicht; Ein guter Grund zum Feiern mit einer Tafel Schokolade

In dieser violetten Zielkammer, interessanterweise Milka genannt (und auch als Milka-Kuh gefärbt, siehe Foto), fusionierte ein Forschungsteam unter der Leitung von Christine Labaune an der Ecole Polytechnique in Palaiseau, Frankreich, Protonen und Bor-11-Kerne mit einem laserbeschleunigten protonenstrahl und hochintensiver Laserpuls.

In der Oktober-2013-Ausgabe von Nature Communications berichteten sie über eine neue Rekordfusionsrate: schätzungsweise 80 Millionen Fusionsreaktionen während der 1,5 Nanosekunden, die der Laser abgefeuert hat, das ist mindestens 100 mal mehr als jedes vorherige Proton-Bor-Experiment.

Versuchskammer, in der die Proton-Bor-Fusion stattfand (Zum Vergrößern klicken)

Keine schädlichen Neutronen

Eine der großen Herausforderungen in der Fusionsenergieforschung besteht darin, Neutronen zu bewältigen, die aus Deuterium-Tritium (D-T) -Reaktionen in einem Fusionsreaktor freigesetzt werden. Neutronen können gewöhnliche Materialien radioaktiv machen, und ihre Energie ist schwer einzufangen. Als Alternative konzentriert sich das Forschungsteam hinter Milka auf Fusionsreaktionen zwischen Protonen und Bor-11-Kernen, die Alpha- (Helium-) Partikel, aber keine schädlichen Neutronen freisetzten.

Neue Lasertechnologie in Aktion gegen den unteren Querschnitt

Proton-Bor-Fusionsreaktionen erfordern jedoch eine viel höhere Temperatur als D-T-Reaktionen, die für ITER und die National Ignition Facility entwickelt wurden, und selbst bei diesen höheren Temperaturen ist der p-B-Querschnitt niedriger. Die Methoden der D-T-Forschungseinrichtungen, Wasserstoff in der Hoffnung auf eine autarke Verbrennung zu erhitzen und zu zerkleinern, können bei der Verwendung von Proton-Bor-Brennstoff leider nicht direkt angewendet werden.

Glücklicherweise ermöglicht der Fortschritt und Aufstieg der hochintensiven Pulslasertechnologie einen anderen Ansatz, der extreme Materiezustände unter Bedingungen erzeugt, die weit vom thermischen Gleichgewicht entfernt sind. Dies entspannt die Gleichgewichtsbedürfnisse und ermöglicht es uns, den Bereich der Isotope, die als Fusionsbrennstoffe verwendet werden können, z. B. auf Proton-Bor zu erweitern.

Das Zwei-Laser-Setup

Der Rekord wurde mit einem Zwei-Laser-System erzielt (siehe Bild unten). Ein Laser („Nano Pulse“ unten im Bild unten) erzeugt ein kurzlebiges Borplasma, indem er Boratome aus einer Borprobe erhitzt. Der andere Laser („Pico Pulse“ links im Bild unten) wird verwendet, um Protonen von einem Aluminiumtarget zu beschleunigen, die dann in die Borkerne einschlagen, miteinander verschmelzen und Beryllium- und Heliumkerne freisetzen.

Versuchsaufbau: die Laserstrahlkonfiguration, die Zielanordnung und die Diagnostik.

Das Timing war entscheidend für das Experiment, da der Protonenpuls – der etwa eine Pikosekunde dauert – genau mit dem Nanosekundenlaser synchronisiert werden muss, um gleichzeitig auf das Bortarget einzuschlagen. Außerdem muss dem Protonenstrahl ein Elektronenstrahl vorausgehen, um Elektronen im Borplasma wegzuschieben, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Protonen mit den Borkernen kollidieren und Fusionsreaktionen auslösen.

Noch kein Reaktor, aber immer noch ein wichtiger Prinzipienbeweis

Das Schema des Proton-Bor-Aufbaus gibt uns noch keine Blaupause für ein kommerzielles Reaktordesign, aber es ist immer noch ein wichtiger Prinzipienbeweis. In Anbetracht des frühen Entwicklungsstadiums der neuen Methode sieht das Team von Labaune viele Verbesserungsmöglichkeiten, so dass die Day – Aneutronic-Fusion eines Tages zum Standard werden könnte.

Dieser neue experimentelle Ansatz könnte auch Möglichkeiten bieten, andere leichte Kerne zu untersuchen, ‚frühuniverselle Reaktionen‘ von astrophysikalischem Interesse zu untersuchen, die aneutrone Fusion in dichten Plasmen zu erforschen und neue Erkenntnisse in Fusionsschemata mit schneller Iginition zu entwickeln.

  • Nature Communications: Fusionsreaktionen durch laserbeschleunigte Teilchenstrahlen in einem laserproduzierten Plasma
  • LifeScience: Kernfusion: Laserstrahl-Experiment liefert spannende Ergebnisse
  • Wissenschaft-News: Die Proton-Bor-Kernfusion kehrt ins Rampenlicht zurück
  • LULI2000 – die Hochleistungslaseranlage, in der die im Setup verwendeten Nanosekunden- und Pikosekundenlasersysteme untergebracht sind

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