Hoogyield-fusie
Hoogyield-fusie is de term die onderzoekers gebruiken voor kernfusie-experimenten die een grote hoeveelheid energie in één keer vrijgeven — een hoge 'yield', ofwel opbrengst. Het gaat vrijwel altijd om laserfusie, ook wel inertial confinement fusion (ICF, 'traagheidsopsluitingsfusie') genoemd: een piepklein bolletje waterstofbrandstof wordt met de kracht van honderden krachtige lasers in een fractie van een seconde samengeperst tot het zo heet en dicht wordt dat er kernfusie optreedt, net als in de kern van de zon.
Vergelijk het met het aansteken van een heel klein lucifertje dat, als het goed gaat, zo fel opvlamt dat het meer warmte geeft dan de energie die nodig was om het aan te steken. In december 2022 lukte dat voor het eerst overtuigend bij een Amerikaanse laserfusie-installatie: het schot leverde meer fusie-energie op dan de hoeveelheid laserenergie die op de brandstofcapsule werd gericht. Dat werd wereldwijd gevierd als een historische mijlpaal, al is het nog een hele stap verwijderd van een fusiecentrale die stroom aan het net levert.
Wat is het precies?
Bij laserfusie wordt een capsule ter grootte van een peperkorrel, gevuld met de waterstofisotopen deuterium en tritium, in een metalen omhulsel geplaatst. Bij de grootste installatie ter wereld, de National Ignition Facility (NIF) in Californië, richten 192 laserbundels tegelijk hun energie op dit omhulsel.
De lasers verhitten de binnenkant van het omhulsel, dat daardoor röntgenstraling uitzendt. Die straling verwarmt het buitenoppervlak van de brandstofcapsule zo snel dat deze naar binnen imploderen — vergelijkbaar met hoe een raket wordt voortgestuwd door materiaal in de tegenovergestelde richting weg te schieten. Door die implosie wordt de brandstof in het centrum extreem samengeperst: honderden keren dichter dan lood, bij temperaturen van tientallen miljoenen graden.
Als de compressie goed genoeg is, ontstaat een klein, hetgloeiend 'hotspot' waarin fusiereacties beginnen. Bij een geslaagd hoogyield-schot verhitten de deeltjes die bij die eerste fusiereacties vrijkomen (alfadeeltjes) de omliggende brandstof verder op, waardoor de fusie zichzelf in stand houdt en versnelt. Dit zelfversterkende proces heet ignition (ontsteking). Het hele schot duurt slechts enkele miljardsten van een seconde, maar kan in die tijd meer energie vrijgeven dan er met de lasers is ingebracht.
Wat wil men ermee bereiken?
Het oorspronkelijke en nog altijd belangrijkste doel van NIF is niet elektriciteit, maar het begrijpen van de natuurkunde van kernwapens zonder ondergrondse kernproeven te hoeven uitvoeren, die sinds de jaren negentig door de Verenigde Staten niet meer worden gedaan. Dit heet stockpile stewardship: het op peil houden van kennis over het bestaande kernwapenarsenaal met computersimulaties en laboratoriumexperimenten in plaats van explosieve tests.
Daarnaast is er een tweede, voor het publiek aansprekender doel: aantonen dat gecontroleerde kernfusie in het laboratorium meer energie kan opleveren dan erin gestopt wordt, als eerste wetenschappelijke stap richting fusie-energie. Fusie belooft in theorie een vrijwel onuitputtelijke energiebron zonder broeikasgasuitstoot en zonder het langlevende radioactieve afval van kernsplijting. Hoogyield-experimenten zijn de proof-of-concept die moet aantonen dat de basisnatuurkunde werkt, ook al is de weg naar een echte energiecentrale nog lang.
Voorbeelden uit de praktijk
NIF, 8 augustus 2021: een schot leverde ongeveer 1,3 megajoule aan fusie-energie op, bijna net zoveel als de laserenergie die op de capsule werd gericht. Onderzoekers spraken voor het eerst van een 'burning plasma', een plasma dat grotendeels door zijn eigen fusiereacties werd verhit.
NIF, 5 december 2022: de eerste keer dat een fusie-experiment wereldwijd aantoonbaar meer energie opleverde dan de laserenergie die op het target werd afgevuurd — ruim 3 megajoule fusie-energie uit ongeveer 2 megajoule laserenergie. Het Amerikaanse ministerie van Energie kondigde dit resultaat kort daarna aan als het bereiken van 'fusion ignition'.
NIF, 2023: het lab herhaalde en verbeterde dit resultaat meerdere keren, met schoten die de yield van december 2022 overtroffen. Dit liet zien dat het geen eenmalig toevalstreffer was, al bleef de uitkomst van schot tot schot behoorlijk wisselen — reproduceerbaarheid is nog geen vanzelfsprekendheid.
Laser Mégajoule (LMJ), Frankrijk: de Franse tegenhanger van NIF, gebouwd door het CEA (Commissariat à l'énergie atomique) bij CESTA nabij Bordeaux, dient hetzelfde doel: onderhoud van kennis over het Franse kernwapenarsenaal zonder kernproeven. De installatie is stapsgewijs uitgebreid met meer laserbundels en werkt toe naar vergelijkbare hoogyield-experimenten als NIF.
OMEGA-laser, University of Rochester (VS): een kleinere ICF-faciliteit die al decennialang wordt gebruikt om de basisnatuurkunde van implosies te bestuderen en om experimenten voor te bereiden die later op grotere schaal bij NIF worden herhaald.
Hoe ver is de techniek?
De doorbraak van december 2022 was een belangrijke wetenschappelijke mijlpaal, maar geen doorbraak richting een werkende energiecentrale. Belangrijk om te beseffen: de vergelijking 'meer energie eruit dan erin' gaat alleen over de energie van de laserbundels die het target raken, niet over de totale hoeveelheid elektriciteit die de hele faciliteit uit het stroomnet trekt. De lasers van NIF zetten zelf maar een klein deel (naar schatting rond de 1 procent) van de ingevoerde elektrische energie om in laserlicht. Over de hele keten gerekend, van stopcontact tot fusie-energie, verbruikt een schot dus nog altijd veel meer energie dan het oplevert.
Andere obstakels zijn minstens zo groot. NIF kan momenteel hooguit een paar schoten per dag afvuren, terwijl een echte centrale er tientallen per seconde zou moeten doen. De brandstofcapsules worden nu met de hand en met hoge precisie gemaakt, wat te duur en te langzaam is voor massaproductie. En de lasers zelf zijn niet ontworpen om continu en efficiënt te draaien zoals een energiecentrale dat zou vereisen. Vrijwel alle experts, inclusief die van LLNL zelf, schatten dat commerciële laserfusie-energie op zijn vroegst over enkele decennia haalbaar is, als het al lukt.
Wie werken eraan?
De National Ignition Facility wordt beheerd door het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Californië, in opdracht van de National Nuclear Security Administration (NNSA), onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie. In Frankrijk speelt het CEA met de Laser Mégajoule een vergelijkbare rol. De University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics ondersteunt dit onderzoek met de kleinere OMEGA-laser.
Naast deze door de overheid gefinancierde programma's zijn er inmiddels ook private bedrijven die geïnspireerd door de NIF-resultaten laserfusie voor energieopwekking willen ontwikkelen, zoals het Duits-Amerikaanse Focused Energy en het Amerikaanse Xcimer Energy. Zij richten zich, anders dan NIF en LMJ, uitsluitend op energietoepassingen en proberen goedkopere, snellere en efficiëntere lasersystemen te ontwikkelen. Het is nog te vroeg om te zeggen of hun aanpak op commerciële schaal gaat werken.