Erhöhung des Fusionsausstoßes durch sekundäre Strahl‑Ziel‑Reaktionen in Laser‑Cluster‑Experimenten

Winzige Sonnen im Labor entzünden

Fusion, der Prozess, der die Sonne antreibt, erfordert normalerweise gigantische Apparate oder Sterninnenräume. Diese Studie verfolgt einen ganz anderen Weg: Tischgroße Ultrakurzlaser und winzige Gascluster sollen in einer kompakten Anordnung Fusionsreaktionen auslösen. Die Forschenden zeigen, wie eine einfache feste „Hülle“ um eine lasergetriebene Fusionsquelle die Zahl der erzeugten Fusionsneutronen drastisch erhöhen kann und so kleine Laborstudien ermöglicht, die Bedingungen ähnlich den Sternen untersuchen.

Wie Laser Cluster in Fusionsbrennstoff verwandeln

Bei der Laser‑Cluster‑Fusion trifft ein intensiver Ultrakurzlaserimpuls auf einen Jet mikroskopischer Cluster aus deuteriertem Methan, einer Form von Methan, bei der Wasserstoff durch Deuterium ersetzt ist, ein schwereres Isotop. Das starke Licht entfernt Elektronen aus den Clustern, sodass positiv geladene Ionen übrigbleiben, die einander heftig abstoßen und eine „Coulomb‑Explosion“ auslösen. Diese Explosion schleudert Deuteriumionen auf Energien von zehntausenden Elektronenvolt — genug, damit Paare von Deuteriumkernen fusionieren und 2,45‑MeV‑Neutronen aussenden. Ein Teil der Fusion findet dort statt, wo die Cluster explodieren, wenn energiereiche Ionen miteinander oder mit langsameren Atomen im Gasjet kollidieren.

Ein umliegendes Ziel für zusätzliche Fusion

Die zentrale Idee dieser Arbeit ist, die schnellen Ionen, die das anfängliche Fusionsgebiet verlassen, aufzufangen und erneut zu nutzen. Das Team umgab den Cluster‑Jet mit einem C‑förmigen Block aus deuteriertem Kunststoff (CD2). Wenn die heißen Deuteriumionen aus den explodierenden Clustern herausströmen, dringen viele von ihnen in dieses feste Ziel ein. Dort treffen sie auf eine große Zahl von Deuteriumatomen, die viel dichter gepackt sind als im Gasjet. Jedes Ion kann während seines Abbremsens im Festkörper weitere Fusionsreaktionen auslösen und verwandelt so sonst „verlorene“ Teilchen in eine zweite Stufe der Neutronenproduktion.

Neutronenmessung im Wettlauf gegen die Zeit

Um zu ermitteln, wie sehr dieses sekundäre Ziel hilft, maßen die Forschenden sorgfältig, wann und wie viele Neutronen an Detektoren mehrere Meter entfernt ankamen. Da Fusionsneutronen mit bekannten Geschwindigkeiten unterwegs sind, offenbart ihre Flugzeit, wann und wo sie erzeugt wurden. Durch Subtraktion früher Signale von Röntgenstrahlung und Berücksichtigung kleiner Energieverteilungen isolierte das Team Neutronen aus der Cluster‑Region und aus dem hinzugefügten CD2‑Block. Zusätzlich nutzten sie einen separaten Detektor, um die Energien der Deuteriumionen zu messen und fanden Ionentemperaturen zwischen etwa 60 und 100 Kiloelektronenvolt — ein Maß für die Energie der Ionen.

Die Temperatur erhöhen, um die Ausbeute zu steigern

Mit dem CD2‑Ziel stieg die Neutronenausbeute pro Laserimpuls deutlich an. Bei den niedrigsten getesteten Ionenergien verdoppelte sich die Zahl der Neutronen ungefähr verglichen mit dem Fall ohne Festkörper; bei den höchsten Energien nahe 100 keV erhöhte sich die Ausbeute um etwa das Dreieinhalb‑fache. Ein zeitaufgelöstes Modell, das verfolgt, wie das heiße Plasma expandiert, wie Ionen abgebremst werden und wie viele Reaktionen im Gas und Feststoff stattfinden, stimmte gut mit diesen Messungen überein. Die Analyse zeigt, dass mit steigender Ionenergie jedes Ion wahrscheinlicher im Festkörper fusioniert, sodass der relative Nutzen des zusätzlichen CD2‑Blocks im getesteten Bereich nahezu linear wächst.

Was das für Fusion und das Universum bedeutet

Dieses Experiment demonstriert einen praktischen Weg, die Neutronenproduktion in kompakten, lasergetriebenen Fusionsaufbauten erheblich zu verstärken, indem man die Hauptfusionsregion mit einem passenden Festkörperziel umgibt. Über die bloße Erhöhung der Neutronenzahl hinaus ist das Konzept flexibel: Durch den Austausch des CD2‑Blocks gegen andere Materialien könnten künftige Experimente viele verschiedene Kernreaktionen unter gut kontrollierten, niederenergetischen Bedingungen untersuchen, wie sie in Sternen vorkommen. Effektiv bietet die Kombination aus Laser‑Cluster‑Fusion und sekundären Zielen eine kleinmaßstäbliche, abstimmbare Plattform zum Erforschen von Kernreaktionen und Fusionsraten — Informationen, die sowohl für mögliche Fusionsanwendungen als auch für das Verständnis astrophysikalischer Objekte entscheidend sind.

Zitation: Sim, J., Lee, S., Kim, Hi. et al. Fusion yield enhancement via secondary beam-target reactions in laser-cluster experiments. Sci Rep 16, 5633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35722-z

Schlüsselwörter: Laser‑Cluster‑Fusion, Deuterium‑Fusion, Neutronenausbeute, sekundäre Ziele, astrophysikalische Kernreaktionen