Die laserbasierte Trägheitsfusion ist eines der zentralen Konzepte im Bereich der Kern­fusion. Kugelförmige Brennstoffkapseln (Targets) von wenigen Millimetern Durchmesser werden mit Hochenergielasern bestrahlt und dabei so stark komprimiert, dass eine Fusionsreaktion einsetzt. Im Dezember 2022 gelang ein Durchbruch an der US-amerikanischen National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Lab: Erstmals wurde bei der laserbasierten Trägheitsfusion mehr Energie freigesetzt, als durch die Laser eingebracht wurde. Von diesem Proof-of-Physics bis zu einem funktionierenden Kraftwerk ist es jedoch noch ein langer Weg. Beim Experiment am NIF zielten 192 Laser auf eine einzige in einer Reaktorkammer exakt positionierte Brennstoffkapsel. Für einen Kraftwerksbetrieb müssten jedoch etwa zehn Brennstoffkapseln pro Sekunde gezündet werden. Die Kapseln müssen mit hoher Geschwindigkeit in den Reaktor geschossen und exakt zum richtigen Zeitpunkt von den Lasern getroffen werden. Um das zu ermöglichen, muss das Target die Beschleunigung unbeschadet überstehen und seine Position direkt vor der Zündung mikrometergenau bestimmt werden. 

Spektral-kodiertes Target-Tracking aus mehreren Metern Abstand

Im Projekt Star Track, das vom Land Baden-Württemberg im Rahmen des Förderprogramms VwV Invest BW – Praxissprints gefördert und gemeinsam mit dem Fraunhofer EMI durchgeführt wurde, erzielten Forschende des Fraunhofer IPM einen bedeutenden Fortschritt: Sie konnten erstmals den Proof-of-Principle für ein neuartiges optisches Messverfahren erbringen, mit dem sich die Flugbahn eines Objekts in der typischen Größe eines Fusionstargets hochgenau messen lässt. Das Verfahren baut auf dem Prinzip der chromatisch-konfokalen Abstandsmessung auf, bei dem der Messort breitbandig spektral kodiert wird. Die erprobte Methode wurde für Messungen über größere Distanzen und die laterale Erfassung von Objekten weiterentwickelt. Drei diskrete Laserlichtquellen im roten, grünen und blauen Spektralbereich kodieren die Position des Targets, die dann anhand des reflektierten Lichts über eine Bestimmung des Farbschwerpunkts bestimmt wird. 

Das Ziel: Messgenauigkeit im unteren Mikrometerbereich

Im Labor am Fraunhofer IPM wurden erste vielversprechende Messungen mit einem Sensorprototyp auf Basis des neuen Messverfahrens durchgeführt. »Unsere Hoffnung ist, dass wir mit der neuen Messmethode eines der Schlüsselprobleme der laserbasierten Trägheitsfusion lösen können«, sagt Dr. Alexander Bertz, Projektverantwortlicher am Fraunhofer IPM. Die Anforderungen an die Messtechnik mit Blick auf einen realen Reaktorbetrieb sind jedoch extrem: Die Position des Fusionstargets, das sich mit bis zu 400 Metern pro Sekunde bewegt, soll aus einem Abstand von mehreren Metern bestimmt werden – bis auf 25 Mikrometer genau, mit einer Wiederholrate von 10 Hz und unter den widrigen Bedingungen in einem Fusionsreaktor (z. B. extremes Fremdlicht und eingeschränkte Zugänglichkeit). »Wir sind zuversichtlich, dass wir die Messgenauigkeit bis in den einstelligen Mikrometerbereich steigern können«, ergänzt Bertz. Dies ist Voraussetzung, um die Ableitung des Regelsignals für die Ansteuerung der Laser weiter zu beschleunigen. Das leistungsfähige Messverfahren ist auch für weitere industrielle Anwendungen, zum Beispiel in der Robotik, interessant.

Die Forschenden des Fraunhofer EMI optimierten im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts die Beschleunigungstechnologie für die Brennstoffkapseln und analysierten potenzielle Schädigungen während des Beschleunigungsprozesses. Dies erfolgte mittels numerischer Simulationen, CT-Analysen sowie mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der millimetergroßen Objekte, die auf mehr als 200 m/s beschleunigt wurden. Durch die enge Zusammenarbeit erzielten die Fraunhofer-Institute entscheidende Fortschritte, um die Herausforderungen des Target-Trackings in der Trägheitsfusion zu adressieren. Sie leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Realisierung zukünftiger Fusionskraftwerke.