Inertiële opsluiting: fusie-energie met de kracht van lasers
Stel je een korrel waterstofbrandstof voor, niet groter dan een peperkorrel. Van alle kanten tegelijk wordt die korrel in een oogwenk platgedrukt door een salvo van krachtige laserstralen. De druk en hitte die daarbij ontstaan zijn zo extreem dat de waterstofkernen in de korrel versmelten, net zoals dat in de kern van de zon gebeurt. Dat proces heet inertiële opsluiting, en het is een van de twee grote wegen die onderzoekers bewandelen om kernfusie op aarde bruikbaar te maken.
De naam verwijst naar hoe de brandstof tijdens die versmelting bijeen wordt gehouden. Er is geen magneetveld of wand die de hete, geladen deeltjes vasthoudt, zoals bij de bekendere donutvormige fusiereactoren. In plaats daarvan gebruikt men de traagheid, oftewel inertie, van de brandstof zelf: die is zo kort samengeperst dat de kernreactie plaatsvindt vóórdat de korrel de kans krijgt om weer uit elkaar te vliegen. Het hele proces duurt slechts enkele miljardsten van een seconde, maar in die flits ontstaat kortstondig een omgeving die heter is dan het middelpunt van de zon.
Wat is het precies?
Het uitgangspunt is een piepklein bolletje, meestal gemaakt van kunststof of diamantachtig koolstof, gevuld met de waterstofisotopen deuterium en tritium. Deze twee isotopen versmelten relatief gemakkelijk tot helium, waarbij een neutron en een enorme hoeveelheid energie vrijkomen.
Bij de meest gebruikte methode, indirecte aandrijving, wordt dit bolletje in een klein gouden of uraniumhoudend omhulsel geplaatst dat een hohlraum heet. Krachtige lasers schieten niet rechtstreeks op de brandstofkorrel, maar op de binnenkant van dit omhulsel. Dat zet om in röntgenstraling, die vervolgens de korrel van alle kanten gelijkmatig verhit.
Door die verhitting verdampt de buitenste laag van de korrel explosief naar buiten, een proces dat ablatie heet. Volgens de wet van behoud van impuls duwt die uitstromende damp de rest van de korrel juist naar binnen, met een kracht die vergelijkbaar is met een raketmotor die naar binnen gericht is. De brandstof wordt daardoor tot wel dertig keer dichter samengeperst dan lood, terwijl de kern van de korrel tegelijk tot honderden miljoenen graden opwarmt.
Als die compressie voldoende symmetrisch en snel verloopt, ontsteekt een klein gebied in het midden van de korrel: de zogeheten hotspot. Vanuit die hotspot kan de fusiereactie zich als een kettingreactie door de rest van de samengeperste brandstof verspreiden, wat veel meer energie oplevert dan alleen de hotspot zelf bevat. Precies dat noemt men ontsteking, of ignition.
De grootste technische uitdaging is symmetrie. Als de implosie ook maar iets ongelijkmatig verloopt, ontstaan er turbulente golfjes in het grensvlak tussen de lagen van de korrel, vergelijkbaar met wat er gebeurt als je room in koffie giet. Deze zogeheten Rayleigh-Taylorinstabiliteiten mengen koude buitenlagen door de hete kern en kunnen de ontsteking volledig laten mislukken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel is een energiebron die, in tegenstelling tot kernsplijting, geen langlevend radioactief afval van hoge activiteit produceert en geen risico op een op hol geslagen kettingreactie kent. De brandstof, deuterium en tritium, is in potentie overvloedig: deuterium wordt uit zeewater gewonnen en tritium kan in de reactor zelf worden gekweekt uit lithium.
Voor een echte energiecentrale moet de reactie niet slechts één keer, maar tientallen keren per seconde herhaald worden, waarbij telkens meer energie vrijkomt dan er nodig was om de laserpulsen op te wekken. Dat laatste is het criterium van commerciële haalbaarheid, en het is een veel strengere eis dan de wetenschappelijke ontsteking die inmiddels is aangetoond.
Daarnaast heeft inertiële opsluiting een tweede, minstens zo belangrijke toepassing: het bestuderen van de fysica van kernwapens zonder daadwerkelijke testexplosies uit te voeren. Sinds de internationale teststopverdragen van de jaren negentig gebruiken met name de Verenigde Staten en Frankrijk hun laserfaciliteiten om de werking van hun bestaande kernwapenarsenaal te blijven begrijpen. Deze zogeheten stockpile stewardship-taak is historisch gezien de belangrijkste financieringsreden geweest voor de grootste faciliteiten, met energieopwekking als aanvullende ambitie.
Voorbeelden uit de praktijk
De National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië is de bekendste faciliteit. Met 192 lasers die samen tot ruim twee megajoule aan energie op een doelwit afvuren, behaalde NIF op 5 december 2022 wereldwijd voor het eerst wetenschappelijke ontsteking: de fusiereactie leverde ongeveer 3,15 megajoule op uit 2,05 megajoule laserenergie die de korrel bereikte. In de loop van 2023 en 2024 zijn deze resultaten meerdere keren herhaald en verbeterd, met een piekopbrengst van bijna vier megajoule in een van de schoten.
In Frankrijk bouwde het Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA) de Laser Mégajoule (LMJ) bij Bordeaux, een vergelijkbare faciliteit die sinds 2014 operationeel is en primair voor het Franse kernwapenprogramma wordt gebruikt.
Een heel andere aanpak volgt de Z Machine van de Sandia National Laboratories in New Mexico. Die gebruikt geen lasers maar zeer korte, extreem sterke elektrische pulsen om de brandstof via magnetische krachten samen te persen, een variant die magnetized inertial fusion of Z-pinch wordt genoemd.
Ook buiten de gevestigde laboratoria wordt gewerkt aan nieuwe varianten. Het Britse bedrijf First Light Fusion experimenteert sinds de jaren 2010 met projectielinslag in plaats van lasers om de compressie te veroorzaken, terwijl het Duits-Amerikaanse Focused Energy en het Amerikaanse Xcimer Energy sinds respectievelijk 2021 en 2022 laserfusiecentrales voor commerciële energieopwekking proberen te ontwikkelen, deels voortbouwend op kennis uit het NIF-programma.
Hoe ver is de techniek?
De doorbraak van december 2022 was wetenschappelijk gezien een mijlpaal: voor het eerst leverde een fusiereactie meer energie op dan de laserenergie die de brandstofkorrel bereikte. Dat is echter een ander getal dan de energie die uit het stopcontact kwam om de lasers zelf aan te drijven. NIF's lasersysteem heeft een rendement van slechts ongeveer één tot twee procent, wat betekent dat het totale energieverbruik van de faciliteit nog altijd ruimschoots groter is dan de fusie-energie die vrijkomt.
Voor een echte energiecentrale zijn bovendien lasers nodig die niet één keer per dag, maar tien keer per seconde of vaker kunnen vuren, met een veel hoger elektrisch rendement en met goedkope, in massa te produceren brandstofkorrels. Geen van de bestaande faciliteiten kan dat vandaag de dag. Het Amerikaanse ministerie van Energie lanceerde in 2022 daarom een apart Inertial Fusion Energy-programma om deze industriële vervolgstappen te financieren, los van het wapenonderzoek dat NIF van oudsher draaiende hield.
Onafhankelijke schattingen, onder meer van Amerikaanse en Europese fusieadviesraden, gaan ervan uit dat een demonstratiecentrale op basis van inertiële opsluiting op zijn vroegst in de jaren 2030 of 2040 denkbaar is, en dat commerciële elektriciteitslevering nog verder weg ligt. Dat is een tijdlijn die grotendeels parallel loopt aan, en niet fundamenteel sneller is dan, de concurrerende magnetische opsluitingstechniek die onder meer in het internationale ITER-project wordt ontwikkeld.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is het Lawrence Livermore National Laboratory, onderdeel van het ministerie van Energie, de belangrijkste speler via NIF. Ook de Laboratory for Laser Energetics van de Universiteit van Rochester, met de kleinere OMEGA-laser, en de Sandia National Laboratories met de Z Machine dragen substantieel bij aan het onderzoek.
Frankrijk investeert via het CEA in de Laser Mégajoule, terwijl in het Verenigd Koninkrijk zowel First Light Fusion als onderzoeksgroepen aan het Imperial College London en het Rutherford Appleton Laboratory actief zijn. Duitsland is via Focused Energy en onderzoeksinstituten als GSI in Darmstadt betrokken.
China ontwikkelt met de SG-laserfaciliteiten in Mianyang een eigen inertiële-opsluitingsprogramma dat in opzet sterk op NIF lijkt, al is over de precieze voortgang minder publiek bekend dan over de Amerikaanse en Franse programma's. Daarnaast groeit het aantal particuliere bedrijven, waaronder het Amerikaanse Xcimer Energy, die met risicokapitaal proberen sneller tot een commercieel toepasbare technologie te komen dan de nationale laboratoria.