Trägheitsbeschränkungsfusion (ICF) ist ein Prozess, wo Kernfusionsreaktionen durch die Heizung und das Zusammendrücken eines Kraftstoffziels normalerweise in der Form eines Kügelchens begonnen werden, das meistenteils eine Mischung von schwerem Wasserstoff und Tritium enthält.

Um den Brennstoff zusammenzupressen und zu heizen, wird Energie an die Außenschicht des Ziels mit energiereichen Balken des Laserlichtes, der Elektronen oder der Ionen geliefert, obwohl für eine Vielfalt von Gründen fast alle ICF Geräte bis heute Laser verwendet haben. Die erhitzte Außenschicht explodiert äußer, eine Reaktionskraft gegen den Rest des Ziels erzeugend, es nach innen beschleunigend, das Ziel zusammenpressend. Dieser Prozess kann auch Stoß-Wellen schaffen, die nach innen durch das Ziel reisen. Ein genug starker Satz von Stoß-Wellen kann zusammenpressen und den Brennstoff am Zentrum so viel heizen, dass Fusionsreaktionen vorkommen. Die durch diese Reaktionen veröffentlichte Energie wird dann den Umgebungsbrennstoff heizen, der auch beginnen kann, Fusion zu erleben. Das Ziel von ICF ist, eine als "Zünden" bekannte Bedingung zu erzeugen, wo dieser Heizungsprozess eine Kettenreaktion verursacht, die einen bedeutenden Teil des Brennstoffs verbrennt. Typische Kraftstoffkügelchen sind über die Größe eines Nadelkopfs und enthalten ungefähr 10 Milligramme des Brennstoffs: in der Praxis wird nur ein kleine Verhältnis dieses Brennstoffs Fusion erleben, aber wenn dieser ganze Brennstoff verbraucht würde, würde es die Energie veröffentlichen, die zum Brennen eines Barrels Öl gleichwertig ist.

ICF ist einer von zwei Hauptzweigen der Fusionsenergieforschung, der andere, magnetische Beschränkungsfusion seiend. Als es zuerst am Anfang der 1970er Jahre vorgeschlagen wurde, ist ICF geschienen, eine praktische Annäherung an die Fusionsenergieerzeugung zu sein, und das Feld ist gediehen. Experimente während der 1970er Jahre und der 80er Jahre haben demonstriert, dass die Leistungsfähigkeit dieser Geräte viel niedriger war als erwartet.

Im Laufe der 1980er Jahre und der 90er Jahre wurden viele Experimente durchgeführt, um die komplizierte Wechselwirkung des Laserlichtes der hohen Intensität und Plasmas zu verstehen. Jedoch, wegen Beschränkungen in der Lasertechnologie, dem Fortschritt zu ICF weil hat sich eine lebensfähige Methode der Energieproduktion verlangsamt. Neue Fortschritte in der Lasertechnologie haben zum Gebäude der Nationalen Zünden-Möglichkeit in den Vereinigten Staaten und des andauernden Aufbaus des Lasermégajoule in Frankreich geführt. Beide dieser Möglichkeiten bemühen sich, einen Nettogewinn in der Energie vom Fusionsprozess zu erreichen.

Beschreibung

Grundlegende Fusion

Fusionsreaktionen verbinden leichtere Atome wie Wasserstoff, um zusammen größere zu bilden. Allgemein finden die Reaktionen bei solchen hohen Temperaturen statt, dass die Atome, ihre durch die Hitze ausgezogenen Elektronen ionisiert worden sind; so wird Fusion normalerweise in Bezug auf "Kerne" statt "Atome" beschrieben.

Kerne werden positiv beladen, und treiben so einander wegen der elektrostatischen Kraft zurück. Das Entgegenwirken dem ist die starke Kraft, die Nukleonen, aber nur an sehr kurzen Reihen zusammenreißt. Der Unterschied zwischen diesen zwei Kräften ist als die Ampere-Sekunde-Barriere oder Fusionsbarriere-Energie bekannt und ist relativ groß. Allgemein wird weniger Energie erforderlich sein, um leichtere Kerne zu veranlassen, durchzubrennen, weil sie weniger Anklage und so eine niedrigere Barriere-Energie haben, und wenn sie wirklich durchbrennen, wird mehr Energie veröffentlicht. Als die Masse der Kerne nehmen zu, es gibt einen Punkt, wo die Reaktion nicht mehr Nettoenergie abgibt - musste die Energie siegen die Energiebarriere ist größer als die in der resultierenden Fusionsreaktion veröffentlichte Energie. Der Überkreuzungspunkt ist Eisen, Fe.

Der beste Brennstoff von einer Energieperspektive ist ein zu einer Mischung von schwerem Wasserstoff und Tritium; beide sind schwere Isotope von Wasserstoff. Der D-T (schwerer Wasserstoff & Tritium) Mischung hat eine niedrige Barriere wegen seines hohen Verhältnisses von Neutronen zu Protonen. Die Anwesenheit neutraler Neutronen in den Kernen hilft, sie über die starke Kraft zusammenzureißen, während die Anwesenheit von positiv beladenen Protonen die Kerne einzeln über die elektrostatische Kraft stößt. Tritium hat eines der höchsten Verhältnisse von Neutronen zu Protonen jedes stabilen oder gemäßigt nicht stabilen nuclide — zwei Neutronen und ein Proton. Das Hinzufügen von Protonen oder das Entfernen von Neutronen vergrößern die Energiebarriere.

Sogar eine Mischung von D-T an Standardbedingungen wird allgemein Fusion nicht erleben; die Kerne müssen zusammen gezwungen werden, bevor die starke Kraft sie in stabile Sammlungen zusammenreißen kann. Sogar im heißen, dichten Zentrum der Sonne wird das durchschnittliche Proton für einen Durchschnitt von Milliarden von Jahren bestehen, bevor es durchbrennt. Für praktische Fusionsmacht-Systeme muss die Rate drastisch vergrößert werden; geheizt zu Dutzenden Millionen von Graden und/oder zusammengepresst zum riesigen Druck. Die Temperatur und der für jeden besonderen Brennstoff erforderliche Druck durchzubrennen sind als das Kriterium von Lawson bekannt. Diese Bedingungen sind seit den 1950er Jahren bekannt gewesen, als die ersten H-Bomben gebaut wurden.

ICF Mechanismus der Handlung

In einer Wasserstoffbombe wird der Fusionsbrennstoff zusammengepresst und mit einer getrennten Spaltungsbombe geheizt (sieh Design des Erzählers-Ulam). Eine Vielfalt von Mechanismen überträgt die Energie der Spaltung "Abzug" 's Explosion in den Fusionsbrennstoff. Die Voraussetzung einer Spaltungsbombe macht die Methode unpraktisch für die Energieerzeugung. Nicht nur würden die Abzüge untersagend teuer sein, um zu erzeugen, aber es gibt eine minimale Größe, dass solch eine Bombe gebaut, grob durch die kritische Masse des verwendeten Plutonium-Brennstoffs definiert werden kann. Allgemein scheint es schwierig, Kerngeräte zu bauen, die kleiner sind als ungefähr 1 kiloton in der Größe, die es ein schwieriges Technikproblem machen würde, Macht aus den resultierenden Explosionen herauszuziehen. Auch je kleiner eine thermonukleare Bombe ist, desto "schmutziger" es das heißt, ist, wird der Prozentsatz der Energie, die in der Explosion durch die Fusion erzeugt ist, vermindert, während das durch Spaltungsreaktionen erzeugte Prozent zur Einheit (100 %) neigt. Das hat Anstrengungen nicht aufgehört, solch ein System jedoch zu entwerfen, zum SCHRITTMACHER-Konzept führend.

Wenn eine Quelle der Kompression gefunden, anders werden konnte als eine Atombombe, dann konnte die Größe der Reaktion heruntergeschraubt werden. Diese Idee ist von intensivem Interesse sowohl zum Bombe-Bilden als auch zu den Fusionsenergiegemeinschaften gewesen. Erst als die 1970er Jahre, dass eine potenzielle Lösung in der Form der sehr großen, sehr hohen Macht, hohen Energielaser erschienen ist, die dann für Waffen und andere Forschung gebaut wurden. Die D-T-Mischung in solch einem System ist als ein Ziel bekannt, viel weniger Brennstoff enthaltend als in einem Bombe-Design (häufig nur Mikro- oder Milligramme), und zu einer viel kleineren explosiven Kraft führend.

Allgemein verwenden ICF Systeme einen einzelnen Laser, den Treiber, dessen Balken in mehrere Balken aufgeteilt wird, die nachher durch eine Trillion Male oder mehr individuell verstärkt werden. Diese werden in den Reaktionsraum gesandt (hat einen Zielraum genannt) durch mehrere Spiegel, eingestellt, um das Ziel gleichmäßig über seine ganze Oberfläche zu illuminieren. Die vom Fahrer angewandte Hitze veranlasst die Außenschicht des Ziels zu explodieren, wie die Außenschichten eines Kraftstoffzylinders einer H-Bombe, wenn illuminiert, durch die Röntgenstrahlen des Spaltungsgeräts tun.

Das materielle Explodieren von der Oberfläche veranlasst das restliche Material auf dem Inneren, nach innen mit der großen Kraft gesteuert zu werden, schließlich in einen winzigen mit der Nähe kugelförmigen Ball zusammenbrechend. In modernen ICF Geräten ist die Dichte der resultierenden Kraftstoffmischung nicht weniger als hundertmal die Dichte der Leitung, ungefähr 1000 g/cm. Diese Dichte ist nicht hoch genug, um jede nützliche Rate der Fusion selbstständig zu schaffen. Jedoch, während des Zusammenbruchs des Brennstoffs, formen sich Stoß-Wellen auch und reisen ins Zentrum des Brennstoffs mit der hohen Geschwindigkeit. Wenn sie ihre Kollegen treffen, die sich in von den anderen Seiten des Brennstoffs im Zentrum bewegen, wird die Dichte dieses Punkts viel weiter erhoben.

In Anbetracht der richtigen Bedingungen kann die Fusionsrate im durch die Stoß-Welle hoch zusammengepressten Gebiet bedeutende Beträge von hoch energischen Alphateilchen abgeben. Wegen der hohen Speicherdichte des Umgebungsbrennstoffs bewegen sie sich nur eine kurze Entfernung davor "thermalised" sein, ihre Energie zum Brennstoff als Hitze verlierend. Diese zusätzliche Energie wird zusätzliche Fusionsreaktionen im erhitzten Brennstoff verursachen, mehr energiereiche Partikeln abgebend. Dieser Prozess vom Zentrum äußere Ausbreitungen, zu einer Art selbst führend, als Zünden bekannte Brandwunde stützend.

1. Laserbalken oder lasererzeugte Röntgenstrahlen heizen schnell die Oberfläche des Fusionsziels, einen Umgebungsplasmaumschlag bildend.

2. Brennstoff wird durch den einer Rakete ähnlichen blowoff des heißen Oberflächenmaterials zusammengepresst.

3. Während des Endteils der Kapselimplosion erreicht der Kraftstoffkern 20mal die Dichte der Leitung und entzündet sich an 100,000,000 C.

4. Thermonukleare Brandwunde breitet sich schnell durch den komprimierten Brennstoff aus, oft die Eingangsenergie nachgebend.]]

Probleme mit dem erfolgreichen Zu-Stande-Bringen von ICF

Die primären Probleme mit der Erhöhung der ICF Leistung seit den frühen Experimenten sind in den 1970er Jahren von der Energieübergabe zum Ziel gewesen, Symmetrie des implodierenden Brennstoffs kontrollierend, Frühheizung des Brennstoffs verhindernd (bevor maximale Dichte erreicht wird), das Frühmischen des heißen und kühlen Brennstoffs durch hydrodynamische Instabilitäten und die Bildung einer 'dichten' shockwave Konvergenz am komprimierten Kraftstoffzentrum verhindernd.

Um die Stoß-Welle auf das Zentrum des Ziels einzustellen, muss das Ziel mit der äußerst hohen Präzision und Kugelgestalt mit Abweichungen von nicht mehr als einigen Mikrometern über seine Oberfläche (inner und Außen-) gemacht werden. Ebenfalls muss das Zielen der Laserbalken äußerst genau sein, und die Balken müssen zur gleichen Zeit in alle Punkte auf dem Ziel ankommen. Balken-Timing ist ein relativ einfaches Problem, obwohl und durch das Verwenden von Verzögerungslinien im optischen Pfad der Balken gelöst wird, um picosecond Niveaus zu erreichen, Genauigkeit zeitlich festzulegen. Das andere Hauptproblem, das das Zu-Stande-Bringen der hohen Symmetrie und hohen Temperaturen/Dichten des implodierenden Ziels plagt, ist so genannte Unausgewogenheit "des Balken-Balkens" und Balken anisotropy. Diese Probleme sind beziehungsweise, wo die durch einen Balken gelieferte Energie höher oder niedriger sein kann als andere Balken, die an das Ziel und von "Krisenherden" innerhalb eines Balken-Diameters stoßen, das ein Ziel trifft, das unebene Kompression auf der Zieloberfläche veranlasst, dadurch Instabilitäten von Rayleigh-Taylor im Brennstoff bildend, vorzeitig es mischend und Heizung der Wirkung zur Zeit der maximalen Kompression reduzierend.

Alle diese Probleme sind zu unterschiedlichen Graden in den letzten zwei Jahrzehnten der Forschung durch das Verwenden verschiedener Balken-Glanzschleifen-Techniken und Balken-Energiediagnostik zum Schwebebalken zur Balken-Energie wesentlich gelindert worden; jedoch bleibt RT Instabilität ein Hauptproblem. Zieldesign hat sich auch schrecklich im Laufe der Jahre verbessert. Moderne kälteerzeugende Wasserstoffeisziele neigen dazu, eine dünne Schicht von schwerem Wasserstoff gerade innerhalb eines Plastikbereichs einzufrieren, während sie es mit einer niedrigen Macht bestrahlen, die IR Laser, um seine innere Oberfläche zu glätten, während er es mit einem Mikroskop kontrolliert hat, Kamera ausgestattet hat, dadurch der Schicht erlaubend, nah kontrolliert zu werden, seiner "Glätte" sichernd. Kälteerzeugende Ziele, die mit einem Tritium des schweren Wasserstoffs (D-T) Mischung gefüllt sind, sind "Selbstglanzschleifen" wegen des kleinen Betrags der durch den Zerfall des radioaktiven Tritium-Isotops geschaffenen Hitze. Das wird häufig "Beta-layering" genannt.

Bestimmte Ziele werden durch einen kleinen Metallzylinder umgeben, der durch die Laserbalken statt des Ziels selbst, eine als "indirekter Laufwerk bekannte Annäherung" bestrahlt wird. In dieser Annäherung werden die Laser auf die innere Seite des Zylinders eingestellt, es zu einem superheißen Plasma heizend, das größtenteils in Röntgenstrahlen ausstrahlt. Die Röntgenstrahlen von diesem Plasma sind dann von der Zieloberfläche gefesselt, es ebenso implodierend, als ob es mit den Lasern direkt geschlagen worden war. Die Absorption von Thermalröntgenstrahlen durch das Ziel ist effizienter als die direkte Absorption des Laserlichtes, jedoch nehmen diese hohlraums oder "brennende Räume" auch beträchtliche Energie auf, selbstständig so bedeutsam das Reduzieren der gesamten Leistungsfähigkeit der Energieübertragung des Lasers zum Ziel zu heizen. Sie sind so eine diskutierte Eigenschaft sogar heute; das ebenso zahlreiche Design "des direkten Laufwerkes" verwendet sie nicht. Meistenteils wird indirekter Laufwerk hohlraum Ziele verwendet, um thermonukleare Waffentests vorzutäuschen auf Grund dessen, dass der Fusionsbrennstoff in ihnen auch hauptsächlich durch die Röntgenstrahl-Radiation implodiert wird.

Eine Vielfalt von ICF Fahrern wird erforscht. Laser haben sich drastisch seit den 1970er Jahren verbessert, in der Energie und Macht von einigen Joule und Kilowatt zu Megajoule hoch schraubend (sieh NIF Laser), und Hunderte von terawatts, mit größtenteils Frequenz verdoppelt oder haben Licht von Neodym-Glasverstärkern verdreifacht.

Schwere Ion-Balken sind für die kommerzielle Generation besonders interessant, weil sie leicht sind zu schaffen, kontrollieren Sie und Fokus. Auf der Kehrseite ist es sehr schwierig, die sehr hohen Energiedichten zu erreichen, die erforderlich sind, ein Ziel effizient zu implodieren, und die meisten Systeme des Ion-Balkens verlangen, dass der Gebrauch eines hohlraum Umgebung des Ziels das Ausstrahlen wegräumt, die gesamte Leistungsfähigkeit der Kopplung der Ion-Balken-Energie zu diesem des implodierenden Ziels weiter reduzierend.

Kurze Geschichte von ICF

Die ersten lasergesteuerten "ICF"-Experimente (obwohl genau genommen, das war nur hoher Intensitätslaserwasserstoff Plasmawechselwirkungsexperimente) wurden mit rubinroten Lasern ausgeführt, kurz nachdem diese in den 1960er Jahren erfunden wurden. Es wurde begriffen, dass die von vorhandenen Lasern verfügbare Macht zu niedrig war, um im Erzielen bedeutender Fusionsreaktionen aufrichtig nützlich zu sein, aber im Herstellen einleitender Theorien nützlich war, die hohes Intensitätslicht und Plasmawechselwirkungen beschreiben.

Ein Hauptschritt im ICF Programm hat 1972 stattgefunden, als John Nuckolls von Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) einen Samenartikel in der Natur veröffentlicht hat, die vorausgesagt hat, dass Zünden mit Laserenergien ungefähr 1 kJ erreicht werden konnte, während "hoher Gewinn" Energien ungefähr 1 MJ verlangen würde.

1964 hat Winterberg vorgeschlagen, dass Zünden durch einen intensiven Balken von zu einer Geschwindigkeit von 1000 km/s beschleunigten Mikropartikeln erreicht werden konnte. Und 1968 hat er vorgehabt, intensive Elektron- und Ion-Balken zu verwenden, die durch Generatoren von Marx zu demselben Zweck erzeugt sind.

Die primären Probleme im Bilden eines praktischen ICF Geräts würden einen Laser der erforderlichen Energie bauen und seine Balken Uniform genug machen, um ein Kraftstoffziel gleichmäßig zusammenzubrechen. Zuerst war es nicht offensichtlich, dass das Energieproblem jemals gerichtet werden konnte, aber eine neue Generation von Lasergeräten zuerst erfunden gegen Ende der 1960er Jahre hat zu Weisen hingewiesen, Geräte der erforderlichen Macht zu bauen. Das Starten in den frühen 1970er Jahren mehrerer Laboratorien hat Experimente mit solchen Geräten, einschließlich des Krypton-Fluorids excimer Laser an Naval Research Laboratory (NRL) und die Halbleiterlaser (Nd:glass Laser) an Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) angefangen. Was gefolgt ist, war eine Reihe von Fortschritten, die von anscheinend unnachgiebigen Problemen gefolgt sind, die Fusionsforschung im Allgemeinen charakterisiert haben.

Das 4 Pi-Lasersystem war eine sehr frühe Trägheitsbeschränkungsfusion verwandter Versuch, der an Lawrence Livermore Nationales Laboratorium Mitte der 1960er Jahre angestellt ist. Es hatte 12 rubinrote Laserbalken, die um einen gasgefüllten Zielraum ungefähr 20 Zentimeter im Durchmesser eingeordnet sind.

ICF hohe Energieexperimente (Mehrhundert Joule pro Schuss und größere Experimente) haben als Anzahlung in den frühen 1970er Jahren begonnen, als Laser der erforderlichen Energie und Macht zuerst entworfen wurden. Das war eine Zeit nach dem erfolgreichen Design von magnetischen Beschränkungsfusionssystemen, und um die Zeit des besonders erfolgreichen tokamak Designs, das am Anfang der 70er Jahre eingeführt wurde. Dennoch hat die hohe Finanzierung für die Fusionsforschung, die durch die vielfachen Energiekrisen während der Mitte zum Ende der 1970er Jahre stimuliert ist, schnelle Gewinne in der Leistung erzeugt, und Trägheitsdesigns erreichten bald dieselbe Sorte "unter" Rentabilitätsbedingungen der besten magnetischen Systeme.

LLNL wurde sehr gut gefördert und hat ein Hauptlaserfusionsentwicklungsprogramm angefangen. Ihr Laser von Janus hat Operation 1974 angefangen, und hat die Annäherung gültig gemacht, Nd:glass Laser zu verwenden, um sehr hohe Macht-Geräte zu erzeugen. Sich konzentrierende Probleme wurden im Pfad-Laser von Long und Zyklop-Laser erforscht, der zum größeren Argus-Laser geführt hat. Keiner von diesen war beabsichtigt, um praktische ICF Geräte zu sein, aber jeder hat den Stand der Technik zum Punkt vorgebracht, wo es etwas Vertrauen gab, war die grundlegende Annäherung gültig. Zurzeit wurde es geglaubt, dass das Bilden eines viel größeren Geräts des Typs Cyclops sowohl zusammenpressen und die ICF-Ziele heizen konnte, zu Zünden in der "kurzen Frist" führend. Das war eine falsche Auffassung, die auf der Extrapolation der Fusionserträge gestützt ist, die von Experimenten gesehen sind, die den so genannten "explodierenden Rauschgifthändler" Typ von Kraftstoffkapseln verwerten. Während der Periode, die Jahre des Endes der 70er Jahre und Anfang der 80er Jahre abmessend, mussten die Schätzungen für die Laserenergie auf dem Ziel Zünden verdoppelt fast jährlich als die verschiedenen Plasmainstabilitäten erreichen, und Laserplasmaenergiekopplungsverlust-Weisen wurden allmählich verstanden. Die Verwirklichung, dass die einfachen explodierenden Rauschgifthändler-Zieldesigns und bloß wenige Kilojoule (kJ) Laserausstrahlen-Intensitäten zu hohen Gewinn-Fusionserträgen nie klettern würden, hat zur Anstrengung geführt, Laserenergien zum 100 kJ Niveau im UV und zur Produktion von fortgeschrittenem ablator und kälteerzeugenden DT-Eiszieldesigns zu vergrößern.

Einer der frühsten ernsten und in großem Umfang Versuche eines ICF Fahrer-Designs war der Laser von Shiva, ein 20-Balken-Neodym hat Glaslasersystem lackiert, das an Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) gebaut ist, das Operation 1978 angefangen hat. Shiva war ein "Beweis des Konzepts" Design, das beabsichtigt ist, um Kompression von Fusionskraftstoffkapseln zu oft der flüssigen Dichte von Wasserstoff zu demonstrieren. Darin hat Shiva nachgefolgt und hat seine Kügelchen zu 100mal der flüssigen Dichte von schwerem Wasserstoff zusammengepresst. Jedoch, wegen der starken Kopplung des Lasers mit heißen Elektronen, war die Frühheizung des dichten Plasmas (Ionen) problematisch, und Fusionserträge waren niedrig. Dieser Misserfolg durch Shiva, um das komprimierte Plasma effizient zu heizen, hat zum Gebrauch von optischen Frequenzvermehrern als eine Lösung hingewiesen, die Frequenz würde, das Infrarotlicht vom Laser ins ultraviolette an 351 nm zu verdreifachen. Kürzlich entdeckte Schemas zu effizient der Frequenz verdreifachen sich hohes Intensitätslaserlicht, das am Laboratorium für Laserenergetics 1980 entdeckt ist, hat dieser Methode des Zielausstrahlens ermöglicht, mit im 24 Balken-OMEGA-Laser und dem NOVETTE Laser experimentiert zu werden, dem vom Laserdesign von Nova mit 10mal der Energie von Shiva, dem ersten Design mit der spezifischen Absicht von reichenden Zünden-Bedingungen gefolgt wurde.

Nova hat auch in seiner Absicht gescheitert, Zünden, dieses Mal wegen der strengen Schwankung in der Laserintensität in seinen Balken (und Unterschiede in der Intensität zwischen Balken) verursacht durch filamentation zu erreichen, der auf große Nichtgleichförmigkeit auf die Ausstrahlen-Glätte am Ziel und der asymmetrischen Implosion hinausgelaufen ist. Die Techniken haben den Weg gebahnt früher konnte diese neuen Probleme nicht richten. Aber wieder hat dieser Misserfolg zu einem viel größeren Verstehen des Prozesses der Implosion geführt, und der Weg ist vorwärts wieder klar, nämlich die Zunahme in der Gleichförmigkeit des Ausstrahlens, der Verminderung von Krisenherden in den Laserbalken durch Balken-Glanzschleifen-Techniken geschienen, um Instabilitätsprägung von Rayleigh-Taylor auf dem Ziel zu reduzieren, und hat Laserenergie auf dem Ziel um mindestens eine Größenordnung vergrößert. Die Finanzierung für die Fusionsforschung wurde in den 80er Jahren streng beschränkt, aber Nova hat dennoch erfolgreich genug Information für eine folgende Generationsmaschine gesammelt.

Das resultierende Design, das jetzt als die Nationale Zünden-Möglichkeit bekannt ist, hat Aufbau an LLNL 1997 angefangen. Das Hauptziel von NIF wird sein, als das Flaggschiff experimentelles Gerät des so genannten Kernverwalteramt-Programms zu bedienen, LLNLs traditionelle Bombe machende Rolle unterstützend. Vollendet im März 2009 hat NIF jetzt Experimente mit allen 192 Balken einschließlich Experimente durchgeführt, die neue Rekorde für die Macht-Übergabe durch einen Laser brechen.

Die ersten glaubwürdigen Versuche des Zündens stehen für 2010 auf dem Plan.

LMJ, das französische Projekt, hat seine erste experimentelle Linie erreicht 2002 gesehen, und ist für die Vollziehung 2012 erwartet.

Eine neuere Entwicklung ist das Konzept des "schnellen Zündens", das eine Weise anbieten kann, den Brennstoff der hohen Speicherdichte nach der Kompression, so Entkoppeln die Heizungs- und Kompressionsphasen der Implosion direkt zu heizen. In dieser Annäherung wird das Ziel zuerst "normalerweise" mit einem Fahrer-Lasersystem, und dann zusammengepresst, wenn die Implosion maximale Dichte erreicht (am Stagnationspunkt oder "Schlag-Zeit"), hat sich ein zweiter Ultrakurzpuls, den ultrahohe Macht petawatt (PW) Laser einem einzelnen Puls liefert, auf eine Seite des Kerns konzentriert, drastisch es und hoffentlich Startfusionszündens heizend. Die zwei Typen des schnellen Zündens sind die "Plasmalangweilige Angelegenheit - durch die" Methode und die Methode "des Kegels in der Schale". In der ersten Methode, wie man einfach erwartet, trägt der petawatt Laser gerade durch das Außenplasma einer implodierenden Kapsel und stößt daran und heizt den dichten Kern, wohingegen in der Methode des Kegels in der Schale die Kapsel auf dem Ende eines kleinen hohen-z solchen Kegels bestiegen wird, dass der Tipp des Kegels in den Kern der Kapsel vorspringt. In dieser zweiten Methode, wenn die Kapsel implodiert wird, hat der petawatt eine klare Ansicht gerade zum Kern der hohen Speicherdichte und muss durch ein 'Korona'-Plasma langweilige Energie nicht vergeuden; jedoch betrifft die Anwesenheit des Kegels den Implosionsprozess auf bedeutende Weisen, die nicht völlig verstanden werden. Mehrere Projekte sind zurzeit laufend, um die schnelle Zünden-Annäherung, einschließlich Steigungen zum OMEGA-Laser an der Universität von Rochester, dem Gerät von GEKKO XII in Japan und einer völlig neuen Möglichkeit von £ 500 Millionen, bekannt als HiPER zu erforschen, der für den Aufbau in der Europäischen Union vorgeschlagen ist. Wenn erfolgreich, konnte die schnelle Zünden-Annäherung drastisch sinken die Summe der Energie musste an das Ziel geliefert werden; wohingegen NIF UV Balken von 2 MJ verwendet, ist der Fahrer von HiPER 200 kJ und Heizung 70 kJ, noch sind die vorausgesagten Fusionsgewinne dennoch noch höher als auf NIF.

Schließlich ist das Verwenden einer verschiedenen Annäherung völlig das Z-Kneifen-Gerät. Z-Kneifen verwendet massive Beträge des elektrischen Stroms, der in eine kleine Zahl von äußerst feinen Leitungen geschaltet wird. Die Leitungen heizen und verdampfen so schnell sie füllen das Ziel mit Röntgenstrahlen, die das Kraftstoffkügelchen implodieren. Um die Röntgenstrahlen auf das Kügelchen zu leiten, besteht das Ziel aus einer zylindrischen Metallkapsel mit der Verdrahtung und dem Brennstoff innerhalb. Herausforderungen an diese Annäherung schließen relativ niedrige Laufwerk-Temperaturen ein, auf langsame Implosionsgeschwindigkeiten und potenziell großes Instabilitätswachstum hinauslaufend, und wärmen verursacht durch energiereiche Röntgenstrahlen vor.

Am meisten kürzlich hat Winterberg das Zünden einer Mikroexplosion des schweren Wasserstoffs mit einem gigavolt Generator von super-Marx vorgeschlagen, der ein Generator von Marx ist, der durch bis zu 100 gewöhnliche Generatoren von Marx gesteuert ist

Trägheitsbeschränkungsfusion als eine Energiequelle

Praktische Kraftwerke haben das Verwenden gebaut ICF sind seit dem Ende der 1970er Jahre studiert worden, als ICF-Experimente begannen, sich bis zu höheren Mächten aufzurichten; sie sind als Trägheitsfusionsenergie oder IFE Werke bekannt. Diese Geräte würden einen aufeinander folgenden Strom von Zielen zum Reaktionsraum, mehrere eine Sekunde normalerweise liefern, und die resultierende Hitze und Neutronradiation von ihrer Implosion und Fusion gewinnen, um eine herkömmliche Dampfturbine zu steuern.

Wie man

am Anfang glaubte, ist Laser gesteuerte Systeme im Stande gewesen, gewerblich nützliche Beträge der Energie zu erzeugen. Jedoch, weil Schätzungen der Energie, die erforderlich ist, Zünden zu erreichen, drastisch während der 1970er Jahre und der 80er Jahre gewachsen sind, wurden diese Hoffnungen aufgegeben. In Anbetracht der niedrigen Leistungsfähigkeit des Lasererweiterungsprozesses (ungefähr 1 zu 1.5 %), und die Verluste in der Generation (sind dampfgesteuerte Turbinensysteme um normalerweise ungefähr 35 % effizient), würden Fusionsgewinne auf der Ordnung 350 sein müssen, um gerade kostendeckend zu arbeiten. Diese Sorten von Gewinnen sind geschienen, unmöglich zu sein, und ICF-Arbeit gedreht in erster Linie zur Waffenforschung zu erzeugen. Mit der neuen Einführung des schnellen Zündens haben sich Dinge drastisch geändert. In dieser Annäherung werden Gewinne 100 im ersten experimentellen Gerät, HiPER vorausgesagt. In Anbetracht eines Gewinns von ungefähr 100 und einer Laserleistungsfähigkeit von ungefähr 1 % erzeugt HiPER über denselben Betrag der Fusionsenergie, wie elektrische Energie erforderlich war, um es zu schaffen.

Zusätzlich neuere Lasergeräte scheinen im Stande zu sein, Fahrer-Leistungsfähigkeit außerordentlich zu verbessern. Aktuelle Designs verwenden Xenon-Blitz-Lampen, um einen intensiven Blitz des weißen Lichtes zu erzeugen, von dem etwas vom Nd:glass gefesselt ist, der die Lasermacht erzeugt. Insgesamt wird ungefähr 1 zu 1.5 % der in die Blitz-Tuben gefütterten elektrischen Leistung ins nützliche Laserlicht verwandelt. Neuere Designs ersetzen die Blitz-Lampen durch Laserdioden, die abgestimmt werden, um den grössten Teil ihrer Energie in einer Frequenzreihe zu erzeugen, die stark absorbiert wird. Anfängliche experimentelle Geräte bieten Wirksamkeit von ungefähr 10 % an, und es wird darauf hingewiesen, dass 20 % eine echte Möglichkeit mit etwas zusätzlicher Entwicklung sind.

Mit "klassischen" Geräten wie NIF werden ungefähr 330 MJ der elektrischen Leistung verwendet, um die Fahrer-Balken zu erzeugen, einen erwarteten Ertrag von ungefähr 20 MJ mit dem maximalen glaubwürdigen Ertrag von 45 MJ erzeugend. Das Verwenden derselben Sorten von Zahlen in einem Reaktor, der schnelles Zünden mit neueren Lasern verbindet, würde drastisch verbesserte Leistung anbieten. HiPER verlangt ungefähr 270 kJ der Laserenergie, so einen Diode-Laserfahrer der ersten Generation an 10 % annehmend, der Reaktor würde ungefähr 3 MJ der elektrischen Leistung verlangen. Wie man erwartet, erzeugt das ungefähr 30 MJ der Fusionsmacht. Sogar eine sehr schlechte Konvertierung zur elektrischen Energie scheint, wirkliche Macht-Produktion anzubieten, und zusätzliche Verbesserungen im Ertrag und der Laserleistungsfähigkeit scheinen im Stande zu sein, eine gewerblich nützliche Produktion anzubieten.

ICF Systeme stehen einigen derselben sekundären Macht-Förderungsprobleme wie magnetische Systeme im Erzeugen nützlicher Macht von ihren Reaktionen gegenüber. Eine der primären Sorgen ist, wie man Hitze vom Reaktionsraum erfolgreich entfernt, ohne die Ziele und Fahrer-Balken zu stören. Eine andere ernste Sorge ist, dass die riesige Zahl von in den Fusionsreaktionen veröffentlichten Neutronen mit dem Werk reagiert, sie veranlassend, höchst radioaktiv selbst zu werden, sowie mechanisch Metalle schwächend. Fusionswerke, die herkömmlicher Metalle wie Stahl gebaut sind, würden eine ziemlich kurze Lebenszeit haben, und die Kerneindämmungsbehälter werden oft ersetzt werden müssen.

Ein aktuelles Konzept im Umgang mit beiden dieser Probleme, wie gezeigt, im HYLIFE-II Grundlinie-Design, soll einen "Wasserfall" von FLiBe, eine geschmolzene Mischung von Fluorid-Salzen von Lithium und Beryllium verwenden, die sowohl den Raum vor Neutronen schützen als auch Hitze wegtragen. FLiBe wird dann in einen Hitzeex-Wechsler passiert, wo er Wasser für den Gebrauch in den Turbinen heizt. Ein anderer, Sombrero, verwendet einen Reaktionsraum, der der Kohlenstoff-Faser gebaut ist, die eine sehr niedrige böse Neutronabteilung hat. Das Abkühlen wird durch eine geschmolzene Keramik zur Verfügung gestellt, die wegen seiner Fähigkeit gewählt ist, die Neutronen zu verhindern, noch weiter zu reisen, zur gleichen Zeit ein effizienter Wärmeübertragungsagent seiend.

Als eine Macht-Quelle würden sogar die besten IFE Reaktoren unter Druck stehend sein, um dieselbe Volkswirtschaft wie Kohle zu liefern, obwohl sie im Vorteil in Bezug auf weniger Verschmutzung und Erderwärmung sein würden. Kohle kann einfach umgegraben und für kleine Finanzkosten, einen der Hauptkosten verbrannt werden, die Schiffs-sind. In Bezug auf den turbomachinery und die Generatoren würde ein IFE Werk wahrscheinlich dasselbe als ein Kohlenwerk der ähnlichen Macht kosten, und man könnte vorschlagen, dass der "Verbrennungsraum" in einem IFE Werk denjenigen für ein Kohlenwerk ähnlich sein würde. Andererseits hat ein Kohlenwerk keine Entsprechung zum Fahrer-Laser, der das IFE Werk viel teurer machen würde. Zusätzlich sind Förderung von schwerem Wasserstoff und seine Bildung in nützliche Kraftstoffkügelchen beträchtlich teurer als Kohlenverarbeitung, obwohl die Kosten des Verschiffens davon (in Bezug auf die Energie pro Einheitsmasse) viel niedriger sind. Es wird allgemein geschätzt, dass ein IFE Werk langfristige betriebliche Kosten über dasselbe als Kohle haben würde, Entwicklung rabattierend. HYLIFE-II behauptet, um ungefähr 40 % weniger teuer zu sein, als ein Kohlenwerk derselben Größe, aber das Betrachten der Probleme mit NIF, es ist einfach zu früh, um zu erzählen, ob das realistisch ist oder nicht.

Die verschiedenen Phasen solch eines Projektes sind das folgende, die Folge der Trägheitsbeschränkungsfusionsentwicklung folgt ziemlich gleichem Umriss:

• brennende Demonstration: reproduzierbares Zu-Stande-Bringen von etwas Fusionsenergieausgabe (nicht notwendigerweise ein Q Faktor> 1).
• hohe Gewinn-Demonstration: experimentelle Demonstration der Durchführbarkeit eines Reaktors mit einem genügend Energiegewinn.
• Industriedemonstration: Die Gültigkeitserklärung der verschiedenen technischen Optionen, und der ganzen Daten musste einen kommerziellen Reaktor definieren.
• kommerzielle Demonstration: Demonstration der Reaktorarbeitsfähigkeit im Laufe eines langen Zeitraumes, während man alle Voraussetzungen für die Sicherheit, Verbindlichkeit und Kosten respektiert.

Im Moment, gemäß den verfügbaren Daten, haben Trägheitsbeschränkungsfusionsexperimente die erste Phase nicht übertroffen, obwohl Nova und andere Operation innerhalb dieses Bereichs wiederholt demonstriert haben.

Kurzfristig, wie man erwartet, erreichen mehrere neue Systeme die zweite Bühne. Wie man erwartet, ist NIF im Stande, diese Sorte der Operation schnell zu erreichen, wenn es anfängt, aber das Datum für den Anfang von Fusionsexperimenten wird zurzeit angedeutet, irgendwo zwischen 2010 und 2014 zu sein. Lasermégajoule würde auch innerhalb der zweiten Bühne funktionieren und wurde am Anfang erwartet, betrieblich 2010 zu werden. Schnelle Zünden-Systeme arbeiten gut innerhalb dieser Reihe. Schließlich, wie man erwartet, erhält die Z-Kneifen-Maschine, Laser nicht verwendend, einen hohen Fusionsenergiegewinn, sowie Fähigkeit für das wiederholende Arbeiten, 2010 anfangend.

Für eine wahre Industriedemonstration ist weitere Arbeit erforderlich. Insbesondere die Lasersysteme müssen im Stande sein, an hohen Betriebsfrequenzen vielleicht ein bis zehn Male pro Sekunde zu laufen. Die meisten in diesem Artikel erwähnten Lasersysteme haben Schwierigkeiten, gerade als viel als einmal täglich zu funktionieren. Teile des Budgets von HiPER werden gewidmet, um in dieser Richtung ebenso zu forschen. Weil sie Elektrizität ins Laserlicht mit der viel höheren Leistungsfähigkeit, Diode-Laser auch geführter Kühler umwandeln, der ihnen der Reihe nach erlaubt, an viel höheren Frequenzen bedient zu werden. HiPER studiert zurzeit Geräte, die an 1 MJ an 1 Hz, oder abwechselnd 100 kJ an 10 Hz funktionieren.

Trägheits-beschränkte Fusion und das Kernwaffenprogramm

Die sehr heißen und dichten während eines Trägheitsbeschränkungsfusionsexperimentes gestoßenen Bedingungen sind denjenigen ähnlich, die in einer thermonuklearen Waffe geschaffen sind, und haben Anwendungen auf das Kernwaffenprogramm. ICF Experimente könnten zum Beispiel verwendet werden, um zu helfen, zu bestimmen, wie sich Sprengkopf-Leistung abbauen wird, weil sie, oder als ein Teil eines Programms alt wird, neue Waffen zu entwerfen. Das Behalten von Kenntnissen und korporativem Gutachten im Kernwaffenprogramm ist eine andere Motivation, um ICF zu verfolgen. Die Finanzierung für den NIF in den Vereinigten Staaten ist sourced aus dem 'Reserve Verwalteramt' Kernwaffenprogramm, und die Absichten des Programms werden entsprechend orientiert. Es ist behauptet worden, dass einige Aspekte der ICF Forschung den Umfassenden Testverbot-Vertrag oder den Kernatomwaffensperrvertrag verletzen können. Auf lange Sicht, trotz der furchterregenden technischen Hürden, könnte ICF Forschung zur Entwicklung einer "reinen Fusionswaffe" potenziell führen.

Trägheitsbeschränkungsfusion als eine Neutronquelle

Trägheitsbeschränkungsfusion hat das Potenzial, um Größenordnungen mehr Neutronen zu erzeugen, als spallation. Neutronen sind dazu fähig, Wasserstoffatome in Molekülen ausfindig zu machen, Atomwärmebewegung auflösend und gesammelte Erregung von Fotonen effektiver studierend, als Röntgenstrahlen. Neutronzerstreuen-Studien von molekularen Strukturen konnten Probleme auflösen, die mit der Protein-Falte, Verbreitung durch Membranen, Protonenübertragungsmechanismen, Dynamik von molekularen Motoren, usw. durch das Modulieren von Thermalneutronen in Balken von langsamen Neutronen vereinigt sind. In der Kombination mit fissionable Materialien können durch ICF erzeugte Neutronen in Hybriden Kernfusionsdesigns potenziell verwendet werden, um elektrische Macht zu erzeugen.

Siehe auch

• Antimaterie hat Kernpulsantrieb katalysiert
• Laboratorium für den Laser Energetics
• Leonardo Mascheroni, der vorgehabt hat, Wasserstofffluorid-Laser zu verwenden, um Fusion zu erreichen

Wie man

• umstritten fordert, ist Luftblase-Fusion eine akustische Form der Trägheitsbeschränkungsfusion
• Liste von Laserartikeln
• Liste von Plasma (Physik) Artikel
• Pulsierte Macht
• Laser Mégajoule
• Dichter Plasmafokus

Zeichen und Verweisungen

Außenverbindungen

• Nationales Zünden-Möglichkeitsprojekt
• Zpinch Hausseite
• Europa plant Laserfusionsmöglichkeit (Physicsweb)
• Laser spitzen die Weise an, Energie (Der Wächter) zu reinigen
• Nationale Laserfusionsenergieentwicklung plant
• Institut für die Lasertechnik Universität von Osaka
• Laserträgheitsbeschränkungsfusionsspaltungsenergie
• Schwere Ion-Fusion