Quelltext der Seite National Ignition Facility

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[[Datei:National Ignition Facility, building layout, Livermore CA.jpg|mini|400px|Querschnitt durch das NIF. Der Laserimpuls wird in dem Raum rechts vom Zentrum erzeugt und in die Strahlführungen (blau) sowie weiter zu den Verstärkern (violett) geleitet. Nach mehrmaligem Passieren der Verstärker wird das Licht durch Filter (blau) gereinigt und in das „Schaltfeld“ (rot) geleitet, die es weiter in die Zielkammer (silber) führt. In der oberen linken Ecke findet sich die Montagehalle für optische Gläser.]]
[[Datei:Nif-shot target-arm-before big.jpg|mini|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|mini|Eingangsbereich der NIF-Halle]]

Die '''National Ignition Facility''' ('''NIF''') ist eine Einrichtung des [[Lawrence Livermore National Laboratory]] (LLNL) in [[Livermore (Kalifornien)|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 amerikanischen [[Kernwaffe]]n ohne ober- oder unterirdische [[Kernwaffentest]]s 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>{{Webarchiv |url=https://lasers.llnl.gov/newsroom/project_status/2010/september.php |text=''NIC Conducts First Integrated Ignition Experiment'' |wayback=20130221200756}} Abgerufen am 12. September 2011</ref> Der vom US-Kongress auferlegte Termin, Zündung ({{lang|en|''Ignition''}}) der [[Thermonukleare Reaktion|thermonuklearen Kernfusion]] bis Ende September 2012 zu erreichen, konnte nicht eingehalten werden;<ref>[http://www.nytimes.com/2012/10/07/opinion/sunday/a-big-laser-runs-into-trouble.html ''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>[http://optics.org/news/3/12/26'' 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 drei Fußballfelder groß ist. Ein Laserpuls von 15 [[Sekunde|Nanosekunden]] Dauer, verteilt auf 192 Strahllinien, bringt eine Energie von einigen [[Million|Mega]][[joule]] in die evakuierte [[Target (Physik)|Targetkammer]].<ref>{{Webarchiv |url=https://lasers.llnl.gov/about/nif/how_nif_works/final_optics_assembly.php |text=''Final Optics Assembly''. |wayback=20130216185524}} NIF home.</ref><ref>Sam Naghshineh: [https://sam.naghshineh.net/deformable-mirror-and-the-national-ignition-facility/ ''Deformable mirror and the National Ignition Facility''], 8. Juli 2013.</ref> Der Fusionsbrennstoff, ein Gemisch aus den Wasserstoff[[isotop]]en [[Deuterium]] und [[Tritium]], befindet sich als dünne, gefrorene Schicht (18&nbsp;[[Kelvin]]) an der Innenseite einer 2&nbsp;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&nbsp;K, genug, um im Vakuum der Kammer einen womöglich vorhandenen Rest kondensierter Luft verdampfen zu lassen.<ref>LLNL: [https://str.llnl.gov/June12/mapoles.html ''Targeting Ignition''.] In: ''Science & Technology Review'', 6/2012.</ref> Die Folien sind aber durchlässig für die Laserstrahlen, die an der Kapsel vorbei ({{lang|en|''indirect drive''}}) auf die innere Oberfläche des Zylinders zielen. Gold ist bei der Laserwellenlänge von 351&nbsp;nm schwarz, [[Absorption (Physik)|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 (Physik)|Plasma]]. Der Rückstoß der Expansion beschleunigt die Kugelschale auf eine Geschwindigkeit von einigen 100&nbsp;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">{{Internetquelle |url=https://lasers.llnl.gov/programs/psa/fusion_energy/ |titel=Fusion Energy: High-power Lasers for Clean Energy |werk=NIF home |archiv-url=https://web.archive.org/web/20131025003649/https://lasers.llnl.gov/programs/psa/fusion_energy/ |archiv-datum=2013-10-25 |offline=1 |abruf=2012-11-15}}</ref> die Zündschwelle erreicht, bei der die Fusionsreaktion selbsttätig weiter„brennt“. Dann würde die Fusionszone innerhalb von wenigen 10&nbsp;[[Pikosekunde]]n von innen nach außen wandern; dabei soll etwa die Hälfte des Materials fusionieren und viel mehr Energie freisetzen, als zur Zündung nötig war.

== Stand der Experimente ==
Nach der Inbetriebnahme der Systeme ab Januar 2010<ref>[https://www.heise.de/newsticker/meldung/Gelungene-Generalprobe-fuer-Laserfusion-917656.html ''Gelungene Generalprobe für Laserfusion''.] Heise Online News, abgerufen am 11. Februar 2010</ref> wurde zum ersten Mal Ende September 2010<ref name="photonics.com">{{Internetquelle |url=http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=44759&refer=weeklyNewsletter |titel=1st Successful Ignition Experiment at NIF |werk=photonics.com |datum=2010-10-25 |abruf=2010-10-28}}</ref> eine Dichte und Temperatur erreicht, bei denen das Deuterium-Tritium-Gemisch überhaupt reagiert.
Ende 2013 gelang es,<ref>[http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature13008.html ''Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion''.] In: ''[[Nature]]'', 12. Februar 2014.</ref> mehr Kernfusionsenergie als die rund 10&nbsp;kJ freizusetzen, die zuvor durch Kompression in die Reaktionszone eingebracht wurden.

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>[http://www.nature.com/news/laser-fusion-nears-crucial-milestone-1.10175 ''Laser fusion nears crucial milestone''.] In: ''[[Nature]]'', 7. März 2012.</ref> Die Targetkammer besteht aus 10&nbsp;cm dickem Aluminium.<ref>{{Webarchiv |url=https://lasers.llnl.gov/multimedia/interactive/book1/ |text=Online-Buch über die Anlage |wayback=20120502212842}} S. 56</ref> Bei einem Schuss mit nennenswerter Freisetzung schneller Neutronen wird sie radioaktiv; insbesondere entsteht Natrium-24, ein [[Betastrahlung|Beta-]] und [[Gammastrahlung|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: [http://www.aip.org/fyi/2016/national-ignition-facility-may-never-ignite-doe-admits Artikel.] In: ''Physics Today'', Juni 2016</ref>

2017 gelang es, mittels der Anlage [[Wirkungsquerschnitt]]e, die zum Verständnis des [[Wasserstoffbrennen]]s in Sternen wichtig sind, unter sternähnlichen Bedingungen zu messen.<ref name="Casey">D. T. Casey, D. B. Sayre u.&nbsp;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>LLNL: [https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition National Ignition Facility experiment puts researchers at threshold of fusion ignition] Abgerufen am 18. August 2021</ref>

== Ziele der Versuche ==
Neben den Experimenten im Rahmen des [[Stockpile Stewardship Program]] zur Simulation von [[Kernwaffe]]nexplosionen als Ersatz für die früher durchgeführten Waffentests sollte die Einrichtung auch der Erforschung der Trägheitsfusion zur friedlichen Energiegewinnung dienen.<ref>[http://www.newsweek.com/id/222792 ''Could This Lump Power the Planet?''] In: ''Newsweek'', 14. November 2009.</ref> Dies wird inzwischen (2017) nicht mehr erwähnt. Jedoch wird über erzielte Messergebnisse zu Grundlagen der stellaren [[Astrophysik]] berichtet.<ref name="Casey" /><ref>Michael Wiescher, Dieter Schneider: ''Ein stellares Plasma auf Erden''. In: ''Physik Journal'', Jg. 18, 2019, Heft 4, S. 29–34</ref>

== Daten des NIF-Lasers ==
* Anzahl Strahlengänge (beam lines): 192
* Apertur des Lasermediums: 40&nbsp;×&nbsp;40&nbsp;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 ==
* {{Der Spiegel |ID=67596404 |Autor=Philip Bethge |Titel=Disneyland für Physiker |Jahr=2009 |Nr=45 |Seiten=144 f.}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|National Ignition Facility}}
* {{Literatur
   |Autor=Chris Ebbers, John Caird, Edward Moses
   |Titel=High-Power Solid-State Lasers - The Mercury laser moves toward practical laser fusion
   |Sammelwerk=LaserFocusWorld
   |Datum=2009-03
   |Sprache=en
   |Online=https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-45/issue-3/features/high-power-solid-state-lasers-the-mercury-laser-moves-toward-practical-laser-fusion.html}}
* {{Internetquelle
   |url=https://lasers.llnl.gov/about/what-is-nif
   |titel=What is NIF?
   |hrsg=Lawrence Livermore National Laboratory
   |abruf=2018-02-23
   |abruf-verborgen=1}}
* [http://www.dradio.de/dlf/sendungen/wib/647969/ Radioreportage über NIF] [[Deutschlandfunk]].
* [http://www.boston.com/bigpicture/2010/10/the_national_ignition_facility.html The Big Picture] The National Ignition Facility

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Forschungseinrichtung (Lasertechnik)]]
[[Kategorie:Laserstrahlquelle]]
[[Kategorie:Kernfusionsreaktor]]
[[Kategorie:Nuklearforschungszentrum]]
[[Kategorie:Forschungseinrichtung in Kalifornien]]
[[Kategorie:Organisation (Livermore, Kalifornien)]]
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