In het National Ignition Facility in Lawrence Livermore National Lab is een historische doorbraak bereikt door een fusie-ontsteking op laboratoriumschaal. Daarmee is de basis gelegd voor een schone energiebron van de toekomst en het is een bepalend moment voor fotonica.
Zoals aangekondigd in een persbericht door Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL, Californië, VS) zijn Amerikaanse wetenschappers in de National Ignition Facility (NIF) erin geslaagd een fusie-energie van 3,15 megajoule (MJ) vrij te maken uit een pellet gevuld met de waterstofisotopen deuterium en tritium. Dit komt overeen met 154 procent van de verbruikte energie van 2,05 MJ van de laserpuls die de explosie op gang bracht. Deze netto energiewinst is de eerste internationale, langverwachte doorbraak in het fusieonderzoek. Deze resultaten zullen ongekende mogelijkheden bieden ter ondersteuning van de High Energy Density Physics-missie van het Amerikaanse ministerie van Energie en vormen het fysisch platform om een efficiënte energiebron op te wekken die vergelijkbaar is met de zon, waardoor het een levensvatbare langetermijnaanvulling wordt op hernieuwbare energie.
Immense hoeveelheden energie
In de nieuwe mijlpaal bij NIF leveren gigantische gepulseerde lasers energie van meer dan 2 miljoen Joule UV-licht precies in een ~1 cm lange met goud beklede cilinder, die de wetenschappers “Holhraum” noemen, waar de interactie van de laserstralen met de binnenwanden röntgenstralen produceert. Deze verspreiden zich dan gelijkmatig in de “Hohlraum” zoals in een hete oven. Een ongeveer 2 millimeter grote korrel, die een mengsel van de waterstofisotopen deuterium en tritium bevat en in het midden van de “Holhlraum” hangt, absorbeert de voortplantende röntgenstralen en warmt snel op. De buitenste schil van de pellet wordt weggeblazen, en de resulterende implosiedruk perst de waterstofbrandstof samen tot een dichtheid die honderden keren groter is dan die van vaste stof, waardoor in het centrum een hete plek ontstaat met een temperatuur van meer dan 120 miljoen graden Celsius. Dit veroorzaakt op zijn beurt de fusie van waterstof tot helium. Bij elke fusiereactie van twee lichte kernen komt per reactie 17,6 MeV vrij in de vorm van neutronen en alfadeeltjes. De alfadeeltjes worden onmiddellijk geabsorbeerd door het plasma, waardoor het verder opwarmt en een zichzelf onderhoudende verbrandingsgolf op gang brengt. Na minder dan 100 picoseconden doen de hoge temperatuur en de enorme druk de resterende brandstof uitzetten en dalen de parameters tot onder de drempelwaarde voor fusie, het zogenaamde Lawson-criterium. Dit effect maakt de fusiereactie ook veilig omdat er geen kritische kettingreactie kan optreden.
2,05 MJ laserenergie
In het huidige experiment werd 2,05 MJ laserenergie gebruikt om het doelwit samen te drukken en te verhitten. Slechts ~1% van de energie wordt geleverd aan de hete plek als gevolg van de inefficiëntie van het implosieproces. De door de fusiereactie aangedreven thermische runaway ontstak het plasma en produceerde ~ 3,15 MJ energie met een ogenblikkelijk vermogen van ongeveer 52.500.000.000.000 watt, waarvan de diameter minder dik is dan een haar. De belangrijkste vooruitgang ten opzichte van eerdere resultaten werd mogelijk gemaakt door gegevens uit eerdere experimenten en een beter begrip van de fusiefysica, die vervolgens leidden tot verbeteringen in het Hohlraum-ontwerp, de structuur van de brandstofkorrel en wijzigingen in de laser en de laserpuls.
Schone en vrijwel onuitputtelijke energiebron
Energieopwekking uit kernfusie zou een aanvullende, praktisch onuitputtelijke, weersonafhankelijke en vooral ook emissievrije energiebron kunnen zijn. Beheerste fusie voor energieproductie is echter technisch zeer veeleisend; het oplossen van de resterende uitdagingen en het bouwen van de eerste fusiedemonstrator zal meer dan een decennium in beslag nemen. Daarom zal het op korte en middellange termijn niet bijdragen tot een versnelde vermindering van de uitstoot van broeikasgassen. Prof. Haefner, commissaris voor fusieonderzoek van het Fraunhofer Gesellschaft in Duitsland, hierover: “Fusie is een investering met hoog risico en hoog rendement en – indien succesvol – de heilige graal om energiesoevereiniteit te bereiken en op lange termijn in de energiebehoefte van de wereld te voorzien.
Groeiende belangstelling fusie-onderzoek
De urgentie om inertiële fusie-energie (IFE) te demonstreren en vervolgens op de markt te brengen wordt ondersteund door de snel groeiende belangstelling van de particuliere sector voor de ontwikkeling van fusie-energie. In maart 2022 bracht het Office of Science and Technology Policy van het Amerikaanse Witte Huis de industrie en de academische wereld bijeen voor een topontmoeting om een gedurfde decenniumvisie voor de commerciële ontwikkeling van fusie-energie aan te kondigen.
Een groeiend aantal startende bedrijven over de hele wereld houdt zich bezig met aspecten van de technologische ontwikkeling die nog nodig zijn. Momenteel zijn meer dan 30 bedrijven actief op het gebied van magnetische fusie-energie en magneto-inertietechnologieën en 6 bedrijven op het gebied van IFE. De totale investeringen zijn volgens de Fusion Industry Association gestegen van 1,8 miljard dollar in de afgelopen twee jaar tot meer dan 4,7 miljard dollar nu. Vier van de startups zijn gevestigd in Duitsland.
Gamechanger binnen de lasertechnologie
Het laatste experiment is een belangrijke prestatie voor de wetenschap en een bewijs van de veelzijdigheid en precisie van lasers. De NIF-faciliteit van 3,5 miljard Amerikaanse dollar herbergt het lasersysteem met de hoogste energie ter wereld en het grootste optische systeem ter wereld, met meer dan 7500 meter gespecialiseerde optica die laserenergie genereren en op het doel richten. De NIF-faciliteit vuurt gewoonlijk één keer per dag; een IFE-demonstratiemodel of energiecentrale zou 10-20 keer per seconde moeten vuren met een hoge wallplug-efficiëntie. Alle brandstof-doelinjectiesystemen, afvalverwijdering en laserconcepten moeten efficiënt, betrouwbaar en onderhoudsvriendelijk zijn evenals operationeel vermogen aantonen. Architecturen en technologieën moeten rijpen tot apparaten die klaar zijn voor kernfusiecentrales, terwijl de productie- en bedrijfskosten moeten worden verlaagd en de toeleveringsketens moeten worden beveiligd en opgebouwd. De noodzakelijke kostenbesparingen, die vaak meerdere orden van grootte bedragen, vereisen innovatieve en baanbrekende oplossingen van de laser- en optische industrie.
“Laten we zeggen dat we in 2050 meerdere fusiecentrales per jaar in gebruik moeten nemen om IFE aan ons elektriciteitsnet te laten bijdragen. Dit vereist de productie van vele honderden krachtige lasers ter grootte van overzeese containers,” zegt prof. Haefner. “We moeten de laser- en optiekproductie volledig herzien en geautomatiseerde productielijnen opzetten zoals in de auto-industrie, alleen met nauwkeurigheid van minder optische golflengten.”
Er zijn nog veel meer complexe problemen op te lossen op weg naar fusie-energie. Uitdagingen zetten echter aan tot innovatie, en innovatie leidt tot nieuwe oplossingen in andere markten, waardoor de investering snel wordt terugverdiend.
Ook interessant: Routes naar een duurzame, klimaatneutrale industrie