De doelkamer van NIF'waar een krachtige laser wordt gebruikt om kernfusiereacties op gang te brengen. Foto door Jason Laurea/Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), CC BY-NC-SA
Kernfusie houdt een enorme belofte in als bron van schone, overvloedige energie die de wereld van energie zou kunnen voorzien.
Nu hebben fusie-onderzoekers van een nationaal laboratorium in de VS iets bereikt waar natuurkundigen al tientallen jaren naar streven, een proces dat bekend staat als “ontsteking”. Deze stap houdt in dat er meer energie uit fusiereacties wordt gehaald dan er door een laser in wordt gestopt.
Maar hoe dicht zijn we bij de productie van energie uit fusie die de huizen van mensen van energie kan voorzien? Terwijl de ontsteking slechts een principebewijs is en een eerste stap in een zeer lang proces, zijn er ook andere ontwikkelingen in de maak en samen zouden zij een hernieuwd enthousiasme kunnen aanwakkeren om van fusie een praktische realiteit te maken.
Allereerst is het belangrijk te erkennen dat het laatste resultaat inderdaad een echte mijlpaal is. De onderzoekers van de National Ignition Facility (NIF) in Californië hebben ’s werelds grootste laser afgevuurd op een capsule met waterstofbrandstof, waardoor deze implodeerde en fusiereacties op gang kwamen die nabootsen wat er in de zon gebeurt.
De fusie-energie die vrijkwam bij de implosie was meer dan die van de laser, een enorme prestatie aangezien de NIF-laser een paar jaar geleden slechts ongeveer een duizendste van de erin gestoken energie naar buiten kon brengen.
Er moest echter ongeveer 10.000 keer meer energie in de laser worden gestopt dan hij aan lichtenergie produceerde. Hij kan maar één keer per dag gebruikt worden. En elk doelwit is zo verfijnd ontworpen dat elk doelwit duizenden dollars kost.
Een schets van de waterstof brandstof pellet (witte bal) in een capsule. Lasers verhitten en comprimeren het bolletje tot het punt waar fusiereacties plaatsvinden.
Om een reactor voor een werkende krachtcentrale te maken, zou je een laser nodig hebben die lichtenergie produceert met een veel grotere efficiëntie (enkele tientallen procenten) en tien keer per seconde met succes op doelen schiet, waarbij elk doelwit een paar pence of zo kost. Bovendien moet elk laserschot vele malen – misschien wel 100 keer – meer energie opleveren dan er in gaat.
Er is eigenlijk heel weinig onderzoek gedaan naar “fusiereactoren”, waar de neutronen van de reacties een stoomturbine zouden helpen aandrijven om elektriciteit te produceren. Maar er zijn andere redenen voor hoop.
Ten eerste, terwijl NIF meer dan tien jaar nodig heeft gehad om tot ontsteking te komen, hebben wetenschappers in dezelfde periode onafhankelijk van elkaar nieuwe lasers ontwikkeld. Deze gebruiken elektronische apparaten, diodes genaamd, om energie naar de laser over te brengen en zijn zeer, zeer efficiënt en zetten een groot deel van de elektriciteit van het net om in laserlicht.
Van prototypes van dergelijke lasers is bewezen dat zij werken met de snelheid van 10 keer per seconde, die nodig zou zijn om nuttig te zijn voor fusie. Deze lasers hebben nog niet de omvang die nodig is voor fusie, maar de technologie is bewezen en het VK loopt voorop bij dit soort onderzoek.
Ook de aanpak van fusie die de wetenschappers van NIF gebruiken heeft een aantal bekende, inherente inefficiënties, en er zijn verschillende andere ideeën die veel effectiever zouden kunnen zijn.
Niemand is er absoluut zeker van dat deze andere ideeën zouden werken, omdat ze hun eigen unieke problemen hebben en nooit op schaal zijn uitgeprobeerd. Dat zou voor elk van hen honderden miljoenen dollars aan investeringen vergen zonder garantie op succes (anders zou het geen onderzoek zijn). Er waait nu echter een wind van verandering: de particuliere sector.
Verschillende fondsen met een langetermijnvisie zijn begonnen te investeren in nieuwe startende bedrijven die fusie aanprijzen als een commercieel levensvatbare energiebron. Aangezien het de privé-industrie was die de markt voor elektrische auto’s (en de raketindustrie) heeft gerevolutioneerd, kan die sector misschien ook fusie de “kick” geven die het nodig heeft.
Kernfusie is hetzelfde proces dat de zon aandrijft.
NASA / SDO
Particuliere bedrijven kunnen veel sneller werken dan regeringen, en snel schakelen om nieuwe ideeën over te nemen wanneer dat nodig is. De totale particuliere financiering in de sector wordt nu geschat op meer dan 2 miljard US$ (1,6 miljard pond), peanuts vergeleken met de 2 biljoen US$ (1,6 biljoen pond) aan inkomsten die de olie- en gasindustrie jaarlijks genereert. Er is nog veel ruimte op de markt voor spelers met een hoog risico en een hoge opbrengst.
De laatste resultaten tonen aan dat de basiswetenschap werkt: de wetten van de fysica verhinderen ons niet om het doel van onbeperkte schone energie uit kernfusie te bereiken. De problemen zijn technisch en economisch. Hoewel fusie misschien nog te ver weg is om het binnen tien of twee jaar op te lossen, zal de laatste vooruitgang in ieder geval het enthousiasme voor het oplossen van een van de grote uitdagingen van de mensheid versterken.
Justin Wark heeft voor zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van Oxford financiering ontvangen van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) dat het ontstekingsresultaat heeft bereikt. Hij zit als onafhankelijke academicus in het National Ignition Facility Peer Review Panel dat onafhankelijk advies geeft aan het LLNL.
Gianluca Gregori is oprichter en consultant voor Machine Discovery Ltd, een bedrijf dat gespecialiseerd is in instrumenten voor machinaal leren voor wetenschappelijke en industriële toepassingen. Hij ontvangt voor zijn onderzoeksgroep in Oxford financiering van het Lawrence Livermore National Laboratory en van het US DOE en NSF. Hij ontvangt ook onderzoeksfinanciering voor zijn groep van UKRI.
