Fusiereactor kan slordige laserschoten verdragen - tot een harde grens

Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in de Verenigde Staten hebben ontdekt dat implosies voor toekomstige fusiecentrales aanzienlijke fouten kunnen verdragen voordat de prestaties instorten. Het team, onder leiding van natuurkundige Timothy Johnson, publiceerde de resultaten in het vakblad Physics of Plasmas. Het onderzoek richt zich op inertiële opsluiting, de techniek waarbij lasers een piepklein capsule met brandstof zo hard samenpersen dat er kernfusie ontstaat.

Waarom robuustheid telt voor een energiecentrale

Bij het Amerikaanse National Ignition Facility (NIF) wordt elke laserfusie-poging apart en met grote precisie voorbereid. Een echte fusiecentrale werkt anders: die moet meerdere keren per seconde een nieuw brandstofcapsule raken met lasers, terwijl het doelwit in hoge snelheid voorbijschiet. Kleine afwijkingen in hoe de laserbundels het doelwit raken zijn in die situatie onvermijdelijk. Johnson benadrukt dat het economisch cruciaal is om te weten hoeveel scheefheid, in vaktermen 'asymmetrie', een implosie aankan. Verlies je te veel energie door fouten, dan stijgen de kosten van elke geproduceerde kilowattuur.

Een klif, geen geleidelijke helling

Met computersimulaties schaalden de onderzoekers het ontwerp van NIF's eerste succesvolle fusieschot op naar een capsule die ongeveer 30 megajoule aan energie zou moeten opleveren. Vervolgens voegden ze stap voor stap kunstmatige asymmetrie toe. Het resultaat verraste: de energieopbrengst bleef vrijwel gelijk, tot een kritiek kantelpunt. Daarna stortte de reactie abrupt in en ontstak de brandstof helemaal niet meer. De verklaring ligt bij de hete kern in het midden van de implosie, de kleine plek waar de fusiereacties beginnen. Asymmetrie onttrekt energie aan die kern en laat de capsule sneller uit elkaar spatten, waardoor er minder tijd overblijft om alsnog op gang te komen. Zolang het ontwerp genoeg marge heeft, wint de kern die race op tijd. Valt die marge weg, dan is het foutloos afgelopen: geen geleidelijke afname, maar een directe val.

Balans tussen opbrengst en betrouwbaarheid

De studie laat ook een lastige afweging zien tussen maximale energieopbrengst en bestendigheid tegen fouten. Een ontwerp dat is geoptimaliseerd voor de hoogste opbrengst blijkt gevoeliger voor kleine afwijkingen. Johnson stelt daarom voor dat toekomstige centrales beginnen met een robuuster maar minder efficiënt ontwerp. Naarmate operators beter begrijpen waar asymmetrie vandaan komt, kunnen ze geleidelijk overschakelen naar een efficiënter maar kwetsbaarder ontwerp. Hoeveel asymmetrie een echte centrale straks tegenkomt, blijft nog onduidelijk: het injecteren van ronddraaiende doelwitten en het tot tien keer per seconde afvuren van lasers is technisch nog niet opgelost. Het team onderzoekt inmiddels ook of implosies even goed bestand zijn tegen het mengen van brandstof met omringend capsulemateriaal, een volgende horde op weg naar praktische nettoenergiewinst uit kernfusie.