Hohlraum: de gouden cilinder die kernfusie moet ontketenen
Een hohlraum is een piepklein, hol cilindertje van goud of een ander zwaar metaal, meestal niet groter dan een vingerhoedje. Het is het hart van een van de meest ambitieuze technieken om kernfusie op aarde op te wekken: laserfusie, ook wel inertial confinement fusion (traagheidsopsluitingsfusie) genoemd. In dit cilindertje wordt met behulp van krachtige lasers even een omgeving gecreëerd die qua temperatuur en druk lijkt op de kern van een ster.
Stel je een hohlraum voor als een piepklein ovenkamertje. In plaats van dat de lasers rechtstreeks op de brandstof worden gericht, schieten ze via twee kleine openingen naar binnen en verhitten ze de binnenwand van de cilinder. Die wand gloeit vervolgens op als röntgenlicht, dat van alle kanten tegelijk op een brandstofcapsule in het midden van de cilinder botst. Net zoals je een marshmallow gelijkmatig van alle kanten kunt platdrukken door hem in een strak sluitende bal warme lucht te leggen in plaats van er met één vinger op te duwen, zorgt de hohlraum voor een zeer gelijkmatige, van alle kanten komende compressie van de brandstof.
Wat is het precies?
Een hohlraum (Duits voor "holle ruimte") is doorgaans een cilinder van ongeveer een centimeter lang en enkele millimeters breed, vaak gemaakt van goud of soms verarmd uranium omdat deze metalen röntgenstraling goed vasthouden en heruitzenden. In het midden van de cilinder hangt, aan een dun draadje, een bolvormige capsule van slechts een paar millimeter doorsnede. Die capsule is gevuld met een bevroren laagje deuterium en tritium, twee zware vormen van waterstof die bij fusie energie vrijgeven.
Aan beide uiteinden van de cilinder zit een klein gaatje, de "laser-ingang". Door deze gaatjes schieten tientallen tot honderden laserbundels tegelijk naar binnen, met een gezamenlijk vermogen van honderden biljoenen watt gedurende een fractie van een seconde. Die lasers raken niet de brandstofcapsule zelf, maar de binnenwand van de gouden cilinder.
Waar de laserbundels de wand raken, verhit het goud zo sterk dat het een intens badje van röntgenstraling uitzendt, ongeveer zoals een gloeiend kacheltje warmte afgeeft. Omdat deze straling vanuit de hele binnenwand van de cilinder komt, bereikt ze de capsule in het midden vanuit vrijwel alle richtingen tegelijk. Dat wordt "indirecte aandrijving" genoemd, in tegenstelling tot "directe aandrijving", waarbij lasers wél rechtstreeks op de capsule worden gericht.
De röntgenstraling verdampt de buitenste laag van de capsule razendsnel. Doordat dat materiaal alle kanten op wegspat, ontstaat er volgens de wet van behoud van impuls een tegengestelde kracht naar binnen, vergelijkbaar met een raketmotor die naar buiten stoot en het raketlichaam naar voren duwt. Die naar binnen gerichte kracht perst de brandstof in een fractie van een seconde ineen tot een dichtheid die vele malen groter is dan die van lood, en verhit het middelpunt tot meer dan honderd miljoen graden. Bij die omstandigheden kunnen deuterium- en tritiumkernen versmelten, waarbij energie vrijkomt, net als in de kern van de zon.
Wat wil men ermee bereiken?
Er zijn eigenlijk twee doelen, die historisch met elkaar verweven zijn. Het eerste is puur wetenschappelijk-militair: sinds landen als de Verenigde Staten en Frankrijk stopten met het daadwerkelijk tot ontploffing brengen van kernwapens ter test, gebruiken hun laboratoria hohlraum-experimenten om de fysica van kernwapens te bestuderen zonder een echte bom af te laten gaan. Dit heet "stockpile stewardship": het controleren of het bestaande wapenarsenaal nog betrouwbaar werkt, puur met behulp van laboratoriumexperimenten en computersimulaties.
Het tweede doel is de grote belofte van schone energie. Als je op grote schaal en herhaalbaar fusie-energie kunt opwekken, zou dat een vrijwel onuitputtelijke energiebron opleveren: de brandstof (deuterium uit zeewater en tritium, te kweken uit lithium) is overvloedig aanwezig, er komt geen CO2 bij vrij, en het radioactieve afval is van een heel andere, kortlevende orde dan bij kernsplijting. Fusie-energie via hohlraums wordt daarom vaak genoemd als mogelijke bijdrage aan de energietransitie, al is dat doel nog altijd veel verder weg dan de wapenfysica-toepassing.
Interessant genoeg komt de term "hohlraum" oorspronkelijk uit een heel ander hoekje van de natuurkunde: Max Planck gebruikte begin twintigste eeuw een "Hohlraum" (een gesloten holte in bijna-thermisch evenwicht) om zijn beroemde wet van de zwartelichaamstraling te formuleren. De hohlraums in fusie-experimenten maken gebruik van hetzelfde principe: een holte die, wanneer ze heet genoeg wordt, bijna-ideale, gelijkmatige stralingswarmte uitzendt.
Voorbeelden uit de praktijk
De bekendste faciliteit is de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, gebouwd tussen 1997 en 2009 voor ongeveer 3,5 miljard dollar. NIF bundelt 192 laserstralen op één hohlraum. Op 5 december 2022 haalde NIF wereldwijd nieuws: voor het eerst leverde een fusieschot meer energie op dan er met de lasers in de capsule werd gestopt. Er ging ongeveer 2,05 megajoule laserenergie de hohlraum in, en er kwam ongeveer 3,15 megajoule aan fusie-energie uit de capsule. Dit werd gevierd als "ignition", het moment waarop de fusiereactie zichzelf voldoende in stand houdt om meer energie te leveren dan er lokaal is toegediend.
Sindsdien is dat resultaat meerdere keren herhaald en in sommige gevallen verbeterd, onder meer met een schot op 30 juli 2023 dat een nog hogere energieopbrengst opleverde (rond de 3,88 megajoule). In de loop van 2024 meldde LLNL verdere schoten met opnieuw hogere opbrengsten. De exacte, meest actuele recordcijfers wisselen per publicatie en worden niet altijd meteen volledig vrijgegeven, dus voor de precieze laatste stand is het verstandig de officiële NIF-nieuwsberichten te raadplegen.
In Frankrijk staat een vergelijkbare, iets kleinere faciliteit: de Laser Mégajoule (LMJ), beheerd door het CEA (Commissariat à l'énergie atomique) bij Bordeaux, operationeel sinds ongeveer 2014. LMJ dient primair het Franse "Simulation"-programma, de Franse tegenhanger van Amerikaanse stockpile stewardship.
Aan de University of Rochester in de Verenigde Staten draait al sinds 1995 de kleinere OMEGA-laser (60 bundels), die als testbed dient om de fysica van hohlraums en capsule-implosies te verfijnen voordat experimenten op de grotere NIF worden uitgevoerd. In Japan bestudeert het Institute of Laser Engineering van Osaka University al sinds de jaren tachtig hohlraum- en implosiefysica met de GEKKO XII-laser. Ook China bouwde met de SG-III-faciliteit van de China Academy of Engineering Physics een eigen grote laserfusie-installatie, al is over de precieze experimenten en resultaten daar minder in de open literatuur bekend.
Hoe ver is de techniek?
Het ignition-resultaat van december 2022 was een belangrijke wetenschappelijke doorbraak, maar het is goed om de betekenis ervan scherp af te bakenen. De vergelijking "meer energie eruit dan erin" gaat over de energie van de laserbundels die daadwerkelijk de hohlraum bereikten, niet over de totale hoeveelheid elektriciteit die de faciliteit gebruikte. Om die 2 megajoule aan laserlicht te maken, trekt NIF namelijk vele honderden megajoules aan elektriciteit uit het net; de laser zelf is maar enkele procenten efficiënt. Van "netto energiewinst" op het niveau van het stopcontact is dus nog geen sprake.
Ook is de hohlraum zelf een bron van verlies: doorgaans wordt maar zo'n 10 tot 15 procent van de laserenergie die de hohlraum ingaat, daadwerkelijk omgezet in de implosie-energie die de brandstofcapsule comprimeert. De rest gaat verloren als warmte in de wanden of ontsnapt als röntgenstraling. Verder is het resultaat nog niet betrouwbaar herhaalbaar: piepkleine onregelmatigheden in de vorm van de capsule, in de symmetrie van de röntgenstraling of in de laserpulsen kunnen ertoe leiden dat een schot minder goed lukt dan een ander, ondanks een vrijwel identieke opzet.
Voor een echte fusiecentrale zou je bovendien meerdere schoten per seconde moeten kunnen afvuren in plaats van, zoals nu, hooguit een paar per dag, en zou elke hohlraum-capsule-combinatie veel goedkoper geproduceerd moeten worden dan de huidige, met de hand gemaakte exemplaren. Onderzoekers werken aan efficiëntere, diode-gepompte lasers en aan geautomatiseerde productie van doelwitten, maar een commerciële energiecentrale op basis van hohlraum-fusie wordt algemeen op op zijn vroegst enkele decennia geschat, met aanzienlijke technische en financiële onzekerheid.
Wie werken eraan?
Het onderzoek wordt vrijwel overal gedragen door nationale overheden, vaak vanuit een combinatie van energie- en defensiebelangen. In de Verenigde Staten is dat het Lawrence Livermore National Laboratory, onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie (Department of Energy), dat de NIF beheert. In Frankrijk speelt het CEA met de Laser Mégajoule een vergelijkbare rol. De University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics voert in de VS aanvullend, kleinschaliger onderzoek uit. In Japan doet Osaka University's Institute of Laser Engineering al decennialang fundamenteel werk aan laserfusie, en in China is de China Academy of Engineering Physics de belangrijkste speler.
Daarnaast ontstaan er de laatste jaren ook private bedrijven die geïnspireerd door de NIF-doorbraak inzetten op laserfusie voor energieopwekking, zoals het Amerikaans-Duitse Focused Energy. Het gros van de particuliere fusie-industrie richt zich overigens op andere insluitingsmethoden dan de hohlraum, zoals magnetische opsluiting in tokamaks; hohlraum-gebaseerde traagheidsfusie blijft vooral het domein van grote, door de overheid gefinancierde laboratoria.