Exceeding 1012 D-D flash neutrons in the 4.5-MA 1-MJ dense plasma focus FAETON-X

Der winzige Stern in einer Box

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, die Kraft der Sonne hier auf der Erde zu reproduzieren. Das ist der Traum der Fusionsenergie: winzige Atome so hart zusammenzustossen, dass sie verschmelzen und dabei enorme Mengen an sauberer Energie freisetzen. Aber die Sonne hat die Schwerkraft, um alles zusammenzuhalten; wir nicht. Deshalb nutzen Wissenschaftler riesige Maschinen, um Atome mit magnetischen Kräften zusammenzuquetschen, wodurch ein superheisser, superdichter Gasball entsteht, das sogenannte Plasma. Eine der geschicktesten Methoden, dies zu erreichen, ist ein Gerät namens „Dense Plasma Focus“. Stellen Sie sich das wie einen kosmischen Pinball-Automaten vor, bei dem Elektrizität als Flipper fungiert und einen Strom geladener Teilchen in eine enge Spirale schiesst. Wenn diese im Zentrum aufeinanderprallen, werden sie so stark zusammengedrückt, dass sie fusionieren und dabei Stösse von Neutronen (winzigen Teilchen) und Röntgenstrahlen aussenden.

Warum ist uns dieser kleine Ausbruch wichtig? Nun, sie sind nicht nur dazu da, Elektrizität zu erzeugen (obwohl das das ultimative Ziel ist). Im Moment sind diese Maschinen wie superstarke Taschenlampen, mit denen man testen kann, wie Materialien und Elektronik gegen intensive Strahlung bestehen können. Dies ist entscheidend für den Bau von Raumfahrzeugen, die im tiefen Weltraum überleben können, oder für die Entwicklung von Elektronik, die bei einem Sonnensturm nicht durchbrennt. Die grosse Herausforderung war schon immer die Effizienz: das meiste „Geld für den Einsatz“ zu bekommen, indem man so wenig gespeicherte Elektrizität wie möglich verwendet, um den grössten, heissesten „Pinch“ (Zusammenpressung) zu erzeugen.

---

Der FAETON-X: Ein Gewitter in einer Flasche

In dieser Arbeit stellt ein Forscherteam von Fuse Energy Technologies und mehreren Universitäten eine neue Maschine namens FAETON-X (oder kurz FX) vor. Sie beschreiben sie als die energieeffizienteste und stromstärkste Maschine ihrer Art weltweit. Wenn Sie jemals ein Gewitter gesehen haben, wissen Sie, dass die Kraft eines Blitzes davon abhängt, wie viel Spannung er trägt und wie schnell er diese Energie abgeben kann. Die Forscher wollten eine Maschine bauen, die einen massiven elektrischen „Schrei“ in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde abgibt und das Plasma stärker als je zuvor zusammendrückt.

Die Maschine ist aufgebaut wie eine riesige Kondensatorbank (im Grunde ein supergeladener Akku), die 1 MJ Energie hält. Sie verwendet 20 Kondensatoren, um diese Leistung zu speichern, die dann alles auf einmal freigesetzt wird. Das Ziel war es, einen Spitzenstrom von 4,5 MA (das sind 4,5 Millionen Ampere!) durch das Plasma zu treiben. Um das einzuordnen: Ein typischer Haushaltsschaltkreis führt etwa 15 bis 20 Ampere. Diese Maschine treibt das Äquivalent der Elektrizität von Hunderttausenden Haushalten in einem Bruchteil einer Sekunde durch ein Rohr.

Das Geheimrezept hier ist die Effizienz. Die Forscher massen eine „Merit-Zahl“ von 4,5 MA/MJ. Das bedeutet, dass sie für jedes Megajoule an gespeicherter Energie 4,5 Millionen Ampere Strom erhalten. Dies ist ein rekordverdächtiger Wert für Maschinen dieser Grösse und übertrifft andere ähnliche Anlagen, die normalerweise zwischen 2,35 und 3,25 MA/MJ liegen. Da die Anzahl der Neutronen, die eine Maschine produziert, mit der vierten Potenz des Stroms skaliert (was bedeutet, dass eine kleine Erhöhung des Stroms zu einer riesigen Explosion von Neutronen führt), ist dieser Effizienzschub ein Gamechanger.

Die Ergebnisse: Ein Aufblitzen von Neutronen

Das Team hat die Maschine nicht nur gebaut, sondern sie auch hochgefahren und beobachtet, was passierte. Sie führten 229 Schüsse (Versuche) während ihrer Inbetriebnahmepräsenz durch und steigerten die Leistung schrittweise, während sie lernten, wie sie die Maschine besser steuern konnten. Sie fanden heraus, dass die Elektroden im Inneren der Maschine mit jedem Schuss „konditioniert“ wurden – im Wesentlichen durch die wiederholten Blitze gereinigt und geglättet –, was half, das Plasma stärker zusammenzupressen und mehr Neutronen zu erzeugen.

Obwohl die Maschine noch nicht vollständig „konditioniert“ war (was bedeutet, dass sie noch Potenzial nach oben hat), hat sie ihre eigenen Designziele bereits übertroffen.

• Das Ziel: Sie erwarteten etwa 5 × 10¹¹ Neutronen pro Schuss zu erhalten.
• Die Realität: Sie erreichten konsistent diesen Wert, aber bei ihrem besten Schuss (Schuss #224) massen sie eine Spitzenausbeute von (1,27 ± 0,27) × 10¹² Neutronen.

Das ist mehr als das Doppelte dessen, was sie hofften! Dies erreichten sie mit Deuteriumgas bei einem Druck von 10 Torr. Die Maschine erzeugte zudem eine „dynamisch induzierte Pinch-Spannung“, die kurz bevor das Plasma aufhörte sich zu bewegen und zusammengedrückt wurde, bei 127 kV (Kilovolt) ihren Spitzenwert erreichte. Diese hohe Spannung ist genau das, was das Team vorhergesagt hatte, was bestätigt, dass ihre Designphilosophie funktioniert.

Was die Daten uns sagen

Die Forscher nutzten eine Reihe von Hightech-Werkzeugen, um das Geschehen zu beobachten, darunter spezielle Kameras, die Röntgenstrahlen sehen können, Sensoren, die messen, wie schnell sich das Plasma bewegt, und Detektoren, die Neutronen zählen. Sie verglichen ihre Beobachtungen mit Computersimulationen (unter Verwendung eines sogenannten „Lee-Codes“). Die realen Daten stimmten sehr gut mit den Computermodellen überein, insbesondere im Hinblick darauf, wie sich das Plasma bewegte und wie viel Energie übertragen wurde.

Eine interessante Erkenntnis betraf die „Stromscheide“ (Current Sheath) – die Schicht aus Plasma, die nach innen gedrückt wird. Zu Beginn der Kompression war die Scheide etwas „diffus“ oder ausgebreitet, aber je näher sie dem Zentrum kam, desto enger wurde sie, wobei ein grösserer Anteil des Stroms an der finalen Quetschung teilnahm. Dieses Verhalten erklärte, warum die Neutronenausbeute so hoch war. Die Maschine produzierte Photonen (Lichtteilchen) hauptsächlich im Bereich von 250 bis 750 keV, was einer spezifischen Art von hochenergetischer Röntgenstrahlung entspricht.

Was als Nächstes kommt?

Das Paper ist sehr deutlich darüber, was diese Maschine derzeit kann und was nicht. Sie ist aktuell für die D-D (Deuterium-Deuterium)-Fusion optimiert, die sie auch getestet haben. Das Design ist jedoch darauf ausgelegt, auch die D-T (Deuterium-Tritium)-Fusion zu bewältigen. Das Team berechnet, dass die Maschine bei einem Wechsel auf D-T-Brennstoff potenziell etwa 5 × 10¹³ Neutronen pro Schuss erzeugen könnte. Das wäre ein gewaltiger Sprung, der sie zu einem mächtigen Werkzeug macht, um zu testen, wie Elektronik und Materialien extremer Strahlung standhalten.

Sie erwähnen auch, dass die Maschine angepasst werden könnte, um mit noch niedrigeren Drücken zu laufen, um schnelle Teilchenstrahlen zu erzeugen, die zur Untersuchung von D-⁷Li-Reaktionen genutzt werden könnten. Dies würde noch schnellere Neutronen (bis zu 14 MeV) erzeugen, die hervorragend geeignet sind, um die harschen Strahlungsumgebungen im Weltraum oder in Kernreaktoren zu simulieren.

Die Autoren weisen vorsichtig darauf hin, dass die Ergebnisse zwar beeindruckend sind, die Maschine aber noch in der „Konditionierungsphase“ steckt. Sie erwarten, dass die Neutronenausbeute mit weiteren Schüssen und der Feinabstimmung der Elektrodenformen (sie haben bereits verschiedene Anodenspitzen und Abstände ausprobiert) noch weiter steigen wird und potenziell eine Effizienz von 5 MA/MJ erreicht. Für den Moment ist FAETON-X ein Beweis dafür, dass eine kompakte, hocheffiziente Maschine einen „Blitz“ von Neutronen erzeugen kann, der mit viel grösseren, älteren Anlagen konkurriert, und damit die Tür für bessere Strahlungstests und Fusionsforschung öffnet, ohne dass eine massive Kraftwerksanlage nötig ist.