In een doos wordt laserenergie omgezet in röntgenstraling, die een brandstofcapsule samenperst tot ze implodeert. LLNL
Onderzoekers in de VS hebben eindelijk een doel bereikt dat tientallen jaren geleden werd gesteld: het bereiken van “ontsteking” – meer energie eruit halen dan je erin stopt – met behulp van kernfusie.
De wetenschappers van de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory, waar het experiment plaatsvond, zijn ongetwijfeld zowel opgewonden als opgelucht dat zij eindelijk de belofte inlossen die de naam van hun faciliteit impliceert. Maar hoe opgewonden moet de rest van ons zijn? Wat betekent dit werkelijk voor de mogelijkheid om effectief onbeperkte hoeveelheden schone energie te creëren, en wat moet er nog gebeuren om dit te bereiken?
Bij de fusiereacties kwam weliswaar meer energie vrij dan er in het doel werd gestopt, maar daarbij is geen rekening gehouden met de veel grotere hoeveelheden energie die nodig waren om de laser af te vuren die werd gebruikt om het experiment aan te drijven. Ook was de energie-uitbarsting niet in de vorm van elektriciteit, maar een puls van energetische deeltjes. Om die deeltjes te gebruiken om elektriciteit te produceren – en een fusiereactor constant draaiende te houden – moeten veel hindernissen worden overwonnen.
Niettemin is de ontsteking een opmerkelijke prestatie, die de belangstelling voor, en mogelijk ook de fondsen voor, het aanpakken van deze verdere uitdagingen zal stimuleren.
Het experiment: hoe het werkte en wat het bereikte
Laten we eens kijken naar de details van wat er precies is bereikt. De onderzoekers gebruikten een krachtige laser om 2,05 miljoen Joule energie af te vuren in een klein doelwit dat fusiebrandstof bevatte. Dit dwong lichte atoomkernen in de brandstof samen te smelten tot zwaardere kernen, waarbij 3,15 miljoen joule aan energie vrijkwam.
Dit komt overeen met een winst van ongeveer 1,5 (2,05 x 1,5 = 3,1). Het was een uitbarsting van energie die zo intens was dat de verbranding van fusiebrandstof gedurende een fractie van een seconde tienduizend keer meer energie opleverde dan de gecombineerde output van elke elektriciteitscentrale op aarde.
Dit is grote wetenschap. Het NIF-gebouw bestaat niet uit één, maar uit 192 afzonderlijke laserstralen, die over een afstand van meer dan een kilometer heen en weer kaatsen voordat ze het doel bereiken. Het gebouw waarin al deze technologie is ondergebracht is tien verdiepingen hoog en heeft de grootte van drie (Amerikaanse) voetbalvelden naast elkaar.
Het onderzoek naar fusie valt uiteen in twee hoofdlijnen: lasergestuurde fusie en magnetische opsluiting. Bij magnetische opsluiting wordt fusiebrandstof in de vorm van een plasma (geladen gas) door een groot magneetveld opgeheven.
Bij lasergestuurde fusie daarentegen worden kleine capsules fusiebrandstof geïmplodeerd tot een ongelooflijk hoge dichtheid, waarbij de verbranding zo snel verloopt dat aanzienlijke energie kan vrijkomen voordat de brandstof de kans heeft gehad uit elkaar te vliegen.
In beide gevallen moet de brandstof tot temperaturen van tientallen miljoenen graden Celsius worden gebracht om hem te laten branden. Het is deze vereiste, meer dan enig ander, die het bereiken van fusie zo moeilijk maakt.
Lasergestuurde fusie stelt ons nog voor grote uitdagingen
Laserfusie is een gepulseerde technologie, en een enorme hindernis is de zogenaamde laserherhalingssnelheid. De energie wordt vrijgegeven in intense uitbarstingen die veel minder dan een miljardste van een seconde duren, en die een paar keer per seconde moeten worden herhaald om een gemiddeld vermogen te produceren dat vergelijkbaar is met dat van moderne elektriciteitscentrales op basis van fossiele brandstoffen.
De NIF laser is naar deze maatstaven veel te langzaam. Hij kan maar twee keer per dag worden afgevuurd. Maar het doel van NIF was om aan te tonen dat ontsteking in één keer mogelijk is, niet om de vereisten van een echte centrale na te bootsen.
Een andere reden dat de ontsteking zo lang duurde is dat dit niet de enige missie van NIF is – het ondersteunt ook het Amerikaanse kernwapenprogramma.
De fysica van lasergestuurde fusie is zo complex en veelzijdig dat computersimulaties ervan vaak meer tijd kosten dan de eigenlijke experimenten. In het begin leerden de modelleurs vaker van de experimenten dan dat ze de experimentators vertelden wat ze moesten doen. Het recente succes bij NIF is te danken aan het feit dat de modelvoorspellingen en de experimentele resultaten steeds dichter bij elkaar komen te liggen.
In de komende maanden zullen modelleurs en experimentators moeten aantonen dat het resultaat reproduceerbaar is – opnieuw bereikt – iets wat in het verleden moeilijk is gebleken.
Er zijn ook een aantal andere uitdagingen die moeten worden aangegaan. Er is veel werk verricht aan het ontwerpen en bouwen van lasers die vele malen per seconde energiepulsen kunnen afvuren.
Een andere belangrijke beperking is dat de NIF-laser 300 miljoen Joule elektrische input nodig heeft om twee miljoen Joule laserlicht te produceren – minder dan 1% efficiëntie. Het doelwit zou dus een onwaarschijnlijk grote versterking moeten produceren om meer energie te produceren dan nodig is om de in dit geval gebruikte laser aan te drijven.
De NIF-laser is echter gebaseerd op technologieën uit de jaren tachtig. Hij gebruikt flitslampen en versterkers gemaakt van glasplaten gedoopt met het zeldzame aardelement neodymium.
Moderne lasers met hoog vermogen die gebruik maken van halfgeleidertechnologie kunnen veel beter presteren en bereiken een efficiëntie van ongeveer 20%. Aangezien verwacht wordt dat lasergestuurde fusiedoelen bij optimale werking een winst van meer dan 100 kunnen produceren, zou het gebruik van moderne lasers een aanzienlijke netto energie-output opleveren.
Het bouwen van een werkende reactor is nog ver weg.
Een andere uitdaging voor lasergestuurde fusie is het verlagen van de kosten van de doelen. De mankracht die nodig is om de NIF-doelen te maken, betekent dat elk doel evenveel kost als een gloednieuwe auto.
Telkens als de laser afgaat is een nieuw doel nodig. Voor de eigenlijke energieproductie zou dit betekenen dat er meerdere keren per seconde een nieuwe schietschijf nodig is. De doelen die in NIF worden gebruikt zijn ook afhankelijk van een techniek die bekend staat als “indirecte aandrijving”, waarbij het doel eerst de laserenergie omzet in röntgenstraling die vervolgens de fusiebrandstofcapsule in het doel implodeert. Dit maakt het complexer en kostbaarder.
Veel wetenschappers zijn van mening dat de weg vooruit voor fusie-energie uit laserstraling een “direct drive” ontsteking is. Hierbij verlicht de laser rechtstreeks een eenvoudige, bolvormige brandstofcapsule. Deze benadering van ontsteking moet echter nog worden aangetoond.
De brandstof van NIF (deuterium en tritium) geeft veel energie af in de vorm van hoogenergetische neutronen (deeltjes die samen met protonen de atoomkern vormen). De neutronen interageren met de materialen in het reactorvat en veranderen hun samenstelling en microscopische structuur.
Dit zou ernstige problemen kunnen opleveren voor optische componenten die laserlicht efficiënt moeten doorzenden of weerkaatsen. Sommige wetenschappers overwegen soortgelijke fysica aan te drijven met alternatieve middelen, misschien door rechtstreeks gepulseerd elektrisch vermogen of gerichte ionenbundels (geladen atomen) te gebruiken.
Het onderzoek naar fusie met magnetische opsluiting loopt voorop op veel gebieden die verband houden met de bouw van een energiereactor. Het heeft veel van dezelfde problemen moeten aanpakken voor het ontwerp en de bouw van de ITER-faciliteit, die ook gericht is op de produktie van winst en bijna voltooid is in Zuid-Frankrijk. Wetenschappers en ingenieurs van de twee takken van onderzoek werken samen aan aspecten van de reactorbouw die beide gebieden gemeen hebben.
Fusie-energie lijkt al tientallen jaren een prijs die voor altijd net buiten bereik blijft. Hoewel er nog grote uitdagingen zijn, werken onderzoekers nu actief aan de verbetering van de lasertechnologie en het reactorontwerp, en doorbraken zullen onvermijdelijk leiden tot verdere vooruitgang in de richting van op kernfusie gebaseerde energiecentrales. Sommige onderzoekers die aan kernfusie werken, denken nu dat kernfusie binnen hun eigen leven het elektriciteitsnet van energie kan voorzien.
John Pasley werkt niet voor, geeft geen advies, heeft geen aandelen in of ontvangt geen financiering van een bedrijf of organisatie die baat heeft bij dit artikel, en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.