Ein Laser für die Trägheitsfusion und PETRA IV
IFuEL-Projekt bekommt 14 Millionen Euro für fünf beteiligte Institute, koordiniert von DESY und der Universität Hamburg.
Das Projekt Inertial Fusion Energy Laser Development and HED-Analytics (IFuEL, „Entwicklung von Trägheitsfusionsenergie-Lasern und HED-Analytik“) von DESY, der Universität Hamburg, dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, der Universität Rostock und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik hat Gelder in Höhe von 14 Millionen Euro erhalten, um eine hocheffiziente und skalierbare Lasertechnologie für die Fusionsforschung zu entwickeln und zu testen. Die Förderung ist Teil des Programms „Fusion 2040” des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) und konzentriert sich auf einen vielversprechenden Ansatz in der Fusionsenergieforschung: die Trägheitsfusion. Die durch diese Förderung ermöglichte Lasertechnologie soll auch für die fusionsrelevante Materialforschung an der DESY-Lichtquelle PETRA III und deren zukünftiger Weiterentwicklung PETRA IV eingesetzt werden.
„Um Trägheitsfusion [englisch „inertial confinement fusion“, ICF] zu einer praktikablen und nachhaltigen Energiequelle für die Zukunft zu machen, müssen wir in der Lage sein, hocheffiziente Hochenergielasersysteme zu bauen, die mit viel höheren Repetitionsraten als die heutigen Laser arbeiten können“, sagt Franz Kärtner, Hauptforscher des IFuEL-Projekts, Leitender Wissenschaftler bei DESY und Professor für Physik an der Universität Hamburg. „Hier wird IFuEL mit dem Fachwissen und dem technischen Know-how, das wir über einen langen Zeitraum hinweg erworben haben, einen Beitrag leisten.“
Für ein Lasersystem, das in einem zukünftigen ICF-Kraftwerk eingesetzt werden soll, ist eine neuartige Lasertechnologie unerlässlich. Seit vielen Jahren entwickelt Kärtners Gruppe Laser auf der Basis kryogen gekühlter Ytterbium-dotierter Yttriumlithiumfluorid-Kristalle, unterstützt durch den ERC Synergy Grant AXSIS und den Exzellenzcluster CUI: Advanced Imaging of Matter (AIM) der Universität Hamburg. Die Yb:YLF-Lasertechnologie könnte die Effizienz alternativer Hochenergie- und Hochleistungslasertechnologien verdoppeln und gleichzeitig die Kosten auf etwa ein Zehntel senken.
„Die Förderung durch das BMFTR wird uns helfen zu zeigen, dass wir einen 200-Joule-Yb:YLF-Laser bauen können, der als Baustein für ein viel größeres Lasersystem in einem ICF-Kraftwerk dienen könnte“, sagt Mikhail Pergament, Leiter der Laserwissenschaft und Technologieentwicklung in Kärtners Gruppe. „Wir betreiben zwar bereits Yb:YLF-Lasersysteme mit ähnlicher Leistung, aber die größte Herausforderung bei IFuEL besteht darin, gleichzeitig zu zeigen, dass wir Impulse der 100-Joule-Klasse mit hoher Energieeffizienz auf skalierbare Weise erzeugen können, mit dem Ziel, in Zukunft Pulsenergien im Millionen-Joule-Bereich für die Fusion zu ermöglichen.“
Das Team wird den Laser nicht nur entwickeln, sondern auch in der fusionsrelevanten Materialforschung an allen vier Partnerinstituten testen. Das Team wird bei DESY eine Kammer für hochintensive Laser-Materie-Wechselwirkungen bauen, in der sich ein Wasserstoffstrahl befindet, der als Ziel für den Laser dienen wird. Teile des Strahltransportsystems, das den Laser zum Wasserstoffstrahl lenkt, werden vom HZDR, einem weiteren Helmholtz-Forschungszentrum, entwickelt und gebaut. Das HZDR verfügt über langjährige Erfahrung im Betrieb von Hochleistungslasern und Kryojet-Experimenten in seiner Lasereinrichtung DRACO und am European XFEL. Forschende der Universität Rostock werden das Plasma und die damit verbundenen Ionenschauer charakterisieren, die entstehen, wenn der Laser auf den Wasserstoffstrahl trifft. Das Team wird das Plasma analysieren, um potenzielle Materialien für die Wand eines Fusionsreaktor-Prototyps zu testen.
Mit Hilfe von PETRA III und DESYs NanoLab wird das Team verschiedene Reaktorwandmaterialien unter fusionsrelevanten Bedingungen prüfen. Diese Materialien, die als plasma-facing materials (PFM) bezeichnet werden, müssen eine besondere Beständigkeit haben, damit sie in einem Fusionsreaktor eingesetzt werden können. „Diese neue Plattform für die Prüfung bestehender und neuartiger PFM auf Ionen, die aus dem Plasma freigesetzt werden, wird DESY zu einer der zukünftigen Testanlagen machen, die zum Fusionsforschungsökosystem beitragen, das das BMFTR in Deutschland aufbaut“, sagt Hanns-Peter Liermann, Beamline-Wissenschaftler und verantwortlich für die Extreme Conditions Beamline an PETRA III. [DESY / dre]
