Laserfusie: de zon nadoen met de krachtigste lasers ter wereld
Stel je voor: een balletje waterstof, niet groter dan een peperkorrel, wordt in een oogwenk van alle kanten belicht door de krachtigste lasers ter wereld. De hitte en druk die daarbij ontstaan zijn zo extreem dat de waterstofatomen in het balletje samensmelten tot helium – precies het proces dat ook in de kern van de zon energie vrijmaakt. Dat is in een notendop laserfusie: kernfusie opwekken door een piepklein beetje brandstof met laserlicht zo hard samen te persen dat er, heel even, een sterretje in het lab ontstaat.
Het bijzondere aan laserfusie is de snelheid waarmee dit gebeurt. Bij de grootste laserfusie-installatie ter wereld, de National Ignition Facility (NIF) in de Verenigde Staten, wordt een brandstofkorreltje in minder dan een miljardste seconde honderden keren kleiner samengeperst dan zijn oorspronkelijke omvang. Op 5 december 2022 lukte het onderzoekers daar voor het eerst om op deze manier meer energie uit een fusiereactie te halen dan de lasers rechtstreeks in de brandstof stopten – een mijlpaal die wereldwijd nieuws was, al is de weg naar bruikbare fusie-energie nog lang.
Wat is het precies?
Laserfusie, in vaktaal ook wel inertial confinement fusion (ICF, "traagheidsopsluitingsfusie") genoemd, verloopt in een paar stappen. Eerst wordt een piepklein bolletje gemaakt van bevroren waterstofisotopen: deuterium en tritium, samen aangeduid als D-T-brandstof. Dit bolletje, de "capsule", is meestal maar een paar millimeter groot.
Die capsule wordt in een metalen cilindertje geplaatst, een zogeheten hohlraum (Duits voor "holle ruimte"). Vervolgens vuurt een batterij van tientallen tot honderden krachtige lasers – bij NIF zijn dat er 192 – vrijwel gelijktijdig op dit cilindertje. De lasers zetten de binnenkant van de hohlraum om in röntgenstraling, die op haar beurt de buitenkant van de brandstofcapsule in een flits laat wegdampen.
Doordat die buitenlaag met enorme kracht naar buiten spuit, wordt de rest van de capsule als een soort raketmotor naar binnen gedrukt – net zoals je zelf vooruitschiet als je iets zwaars van je afduwt. Deze implosie perst de brandstofkern in een fractie van een seconde samen tot een dichtheid die vele malen groter is dan die van lood, bij temperaturen van tientallen miljoenen graden. Onder die condities smelten deuterium- en tritiumkernen samen tot helium, waarbij een neutron en een grote hoeveelheid energie vrijkomen.
Omdat de brandstof niet wordt vastgehouden door magneten (zoals bij de andere hoofdroute naar fusie, magnetische opsluiting in bijvoorbeeld een tokamak), maar simpelweg te kort bestaat om uit elkaar te vliegen voordat de fusiereactie voltooid is, spreekt men van "traagheidsopsluiting": de eigen traagheid van de brandstof houdt hem héél even bijeen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het laserfusie-onderzoek heeft van oudsher een dubbel doel. Het eerste is militair-fundamenteel: installaties zoals NIF in de VS en Laser Mégajoule in Frankrijk zijn oorspronkelijk gebouwd om, zonder daadwerkelijke kernproeven te hoeven doen, de werking van kernwapens te blijven bestuderen. Dit heet "stockpile stewardship" – het op peil houden van kennis over bestaande wapenarsenalen nu er internationaal geen testexplosies meer plaatsvinden.
Het tweede doel, waar het publieke debat meestal om draait, is energie. Kernfusie levert in theorie enorme hoeveelheden energie op uit relatief overvloedige brandstof (waterstofisotopen, deels te winnen uit zeewater), zonder de langlevende radioactieve afvalproblemen van kernsplijting en zonder CO2-uitstoot tijdens bedrijf. Een fusiereactor kan bovendien niet op hol slaan zoals een splijtingsreactor: valt de toevoer van brandstof of laserpulsen weg, dan stopt de reactie vanzelf.
Voor laserfusie specifiek is de belofte een centrale die meerdere keren per seconde piepkleine brandstofcapsules "afvuurt" en de vrijkomende warmte gebruikt om, net als in een gewone centrale, stoom en dus elektriciteit op te wekken. Dat idee bestaat al sinds de jaren zeventig, maar de praktijk bleek veel weerbarstiger dan de theorie destijds voorzag.
Voorbeelden uit de praktijk
National Ignition Facility (NIF), Verenigde Staten – Deze installatie bij het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië is sinds 2009 operationeel en is met 192 laserbundels de grootste laserfusie-installatie ter wereld. Op 5 december 2022 bereikte NIF hier voor het eerst "wetenschappelijke ignitie": ruim 2 megajoule aan laserenergie op de capsule leverde iets meer dan 3 megajoule aan fusie-energie op. In de loop van 2023 werd dat resultaat meerdere keren herhaald en verbeterd, met steeds hogere energieopbrengsten per schot.
Laser Mégajoule (LMJ), Frankrijk – De Franse tegenhanger van NIF, gebouwd door het CEA (Commissariat à l'énergie atomique) nabij Bordeaux en sinds 2014 in gebruik, dient primair hetzelfde militaire doel als NIF: onderzoek naar het functioneren van kernwapens zonder testexplosies.
Shenguang-III, China – China's belangrijkste laserfusie-installatie, gevestigd bij onderzoeksinstituut CAEP in Mianyang, wordt gebruikt voor vergelijkbaar onderzoek en groeit gestaag in vermogen; China zou werken aan een grotere opvolger.
HiPER, Europa – Tussen ongeveer 2005 en de vroege jaren 2010 werkte een Europees consortium aan de planning van HiPER (High Power laser Energy Research facility), een beoogde Europese laserfusie-faciliteit gericht op energieonderzoek. Het project werd nooit als volwaardige installatie gebouwd door gebrek aan structurele financiering, maar leverde wel technisch voorwerk op dat elders wordt hergebruikt.
Focused Energy, Duitsland/Verenigde Staten – Dit in 2021 opgerichte bedrijf, met wortels aan de TU Darmstadt, probeert een nieuwe generatie compactere en efficiëntere laserfusie-installaties te ontwikkelen die specifiek gericht zijn op elektriciteitsopwekking.
Hoe ver is de techniek?
De doorbraak van december 2022 was wetenschappelijk belangrijk, maar de resultaten moeten in perspectief worden geplaatst. NIF haalde meer fusie-energie uit de capsule dan er laserenergie op de capsule terechtkwam – dat heet "wetenschappelijke breakeven" of ignitie. Maar om die laserenergie te produceren, verbruikten de lasers zelf een veelvoud aan elektriciteit uit het net: het rendement van de laserversterkers ligt in de orde van een paar procent. Onder de streep kostte het experiment dus nog altijd veel meer energie dan het opleverde.
Een werkende fusiecentrale vraagt bovendien om meer dan losse "schoten": ze moet meerdere keren per seconde capsules kunnen afvuren (NIF doet momenteel hooguit enkele schoten per dag), goedkope brandstofcapsules op grote schaal kunnen produceren, en de vrijkomende warmte efficiënt kunnen omzetten in elektriciteit. Elk van die stappen is nog onderwerp van fundamenteel onderzoek.
Onderzoekers en investeerders zijn sinds 2022 merkbaar optimistischer geworden, en verschillende private bedrijven proberen laserfusie versneld naar de markt te brengen met nieuwe laserontwerpen die energiezuiniger en beter herhaalbaar moeten zijn dan de NIF-lasers, die zijn ontworpen in de jaren negentig. Toch waarschuwen gevestigde experts, onder wie wetenschappers van NIF zelf, dat commerciële laserfusie-elektriciteit realistisch gezien nog op zijn vroegst over enkele decennia te verwachten is. Concrete tijdpaden zijn met grote onzekerheid omgeven.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is het Lawrence Livermore National Laboratory (onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie) met NIF de onbetwiste koploper. Daarnaast financiert het Amerikaanse Department of Energy via een programma voor Inertial Fusion Energy verschillende private ontwikkelaars, waaronder Focused Energy, Xcimer Energy en Longview Fusion Energy Systems, die elk met eigen laserconcepten experimenteren.
In Frankrijk is het CEA verantwoordelijk voor Laser Mégajoule, met universitaire partners voor het meer fundamentele onderzoek. In het Verenigd Koninkrijk werkt het bedrijf First Light Fusion aan een verwante, maar niet-lasergebaseerde vorm van traagheidsopsluitingsfusie, waarbij een projectiel op de brandstofcapsule wordt afgevuurd in plaats van laserlicht. China ontwikkelt zijn eigen laserfusie-programma via CAEP rond de Shenguang-installaties.
Op internationaal niveau volgt het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) de voortgang van zowel laser- als magnetische fusie en organiseert het overlegplatforms tussen landen. In Nederland zelf is er geen eigen laserfusie-installatie; Nederlandse onderzoeksgroepen, onder meer aan de TU Eindhoven en bij onderzoeksinstituut DIFFER, richten zich vooral op magnetische opsluitingsfusie (zoals bij ITER) en op plasmafysica die ook voor laserfusie relevant is.