Fusionslaser sollen fit für den industriellen Dauerbetrieb werden

Ein deutsch-amerikanisches Forschungsprojekt bereitet Hochleistungslaser für künftige Fusionskraftwerke vor. Im Mittelpunkt stehen Simulation, Skalierung und Betriebssicherheit komplexer Anlagen.

Um die lasergezündete Trägheitsfusion aus dem experimentellen Stadium in den industriellen Betrieb zu überführen, bündeln das Lawrence Livermore National Laboratory und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ihre Kompetenzen. Im Projekt ICONIC-FL gleichen die Partner ihre Simulationsmodelle für Hochenergielaser ab, die künftig das Herz von Fusionskraftwerken bilden könnten.

Nach dem erfolgreichen physikalischen Nachweis der Fusion am LLNL im Jahr 2022 steht nun die technologische Skalierung im Fokus. Für den Kraftwerksbetrieb sind laut Mitteilung von Fraunhofer ILT statt einzelner Zündungen rund 15 Laserschüsse pro Sekunde nötig. Das erfordere diodengepumpte Festkörperlaser (DPSSL), die dauerhaft und mit hoher Wiederholrate arbeiten.

Laserverstärker als Schlüsselkomponente

Zentrale Bauteile der Anlagen sind die Laserverstärker. In ihnen werden schwache Laserpulse auf Energien im Millionen-Joule-Bereich verstärkt. Die eingesetzten Glas- oder Kristallplatten mit Kantenlängen von bis zu 40 cm sind dabei erheblichen thermischen und optischen Belastungen ausgesetzt und müssen aktiv gekühlt werden.

Um Risiken und Kosten zu begrenzen, setzen die Partner auf eine detaillierte simulationsgestützte Auslegung. Die jeweiligen Modelle sollen systematisch miteinander verglichen und gegenseitig validiert werden, ohne den zugrunde liegenden Code auszutauschen. 

"Ein 24/7-Betrieb führt zu Aufheizung, Brechungseffekten und Aberrationen, die den Laserstrahl verzerren könnten", erklärt Projektleiter Johannes Weitenberg vom Fraunhofer ILT. Ziel sei es, diese Effekte frühzeitig zu verstehen und in der Auslegung zu berücksichtigen.

Mehrere hundert Strahlengänge

Die simulationsbasierte Absicherung gilt als entscheidend für den Übergang zu seriennahen Anlagenkonzepten. Künftige Kraftwerkslaser könnten aus mehreren hundert Strahlengängen bestehen, bei denen selbst kleine Abweichungen hohe Kosten verursachen würden. Durch den Modellabgleich wollen die Partner Entwicklungszeiten verkürzen und wirtschaftliche Risiken reduzieren.