Dynamically assisted nuclear fusion via laser irradiation shaping

Abstract

Kernfusionsprozesse bieten zahlreiche aktuelle Forschungsfelder, darunter auch regelungstechnische Fragestellungen für zukünftige technologische Anwendungen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Mechanismen zur dynamischen Assistenz zweier verschiedener Fusionsprozesse auf atomarer Ebene. Es werden mit der Fusion von Deuteron und Triton (D-T) sowie mit der Fusion von Protonen mit Bor-Nukliden (p-11B) zwei vielversprechende Fusionsprozesse mit wichtigen parametrischen Unterschieden betrachtet. Dazu wird eine geeignete Simulationsumgebung erstellt. Die dynamische Assistenz der Fusionsprozesse wird mittels Laserstrahlung erzielt, die ein zusätzliches elektrisches Feld erzeugt. Damit soll die Tunnelwahrscheinlichkeit der zu fusionierenden Teilchen gesteigert werden. Mithilfe der Simulationsumgebung wird die Auswirkung der Form dieses zusätzlichen elektrischen Feldes auf die Fusionsprozesse untersucht. Die Form der Laserstrahlung wird mittels unterschiedlicher Optimierungsverfahren zum Erzielen einer maximalen Tunnelwahrscheinlichkeit optimiert. Ein abschließendes Vergleichen und Analysieren der Ergebnisse sowie die Untersuchung hinsichtlich einer möglichen Realisierung der berechneten elektrischen Felder runden die Arbeit ab.

Nuclear fusion processes offer several avenues for researchers, including control engineers, for technological applications in the future. This work focuses on dynamic assistance mechanisms for two different fusion reactions on an atomic level. With deuteron-triton (D T) fusion and proton-boron (p-11B) fusion, two promising fusion processes with important parameter differences are investigated. To this end, a simulation environment to study such processes is set up. The dynamic assistance of the fusion process, which aims to enhance the tunneling probability of fusing particles, is accomplished by using laser irradiation that leads to an additional electric field. Based on the simulation environment, the influence of the electric field on the nuclear fusion process is studied. The laser irradiation shape is optimized using different optimization techniques for both fusion processes in order to maximize the tunneling probability. The resulting electric fields and their performances are compared to each other and analyzed for feasibility.