De droom van fusie-energie kwam in december 2022 dichter bij de werkelijkheid, toen onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ontdekten dat de fusiereactie meer energie produceerde dan nodig was om deze op gang te brengen. Volgens nieuw onderzoek vereiste de huidige fusieprestatie een voortreffelijke choreografie en een uitgebreide voorbereiding, waarvan de hoge moeilijkheidsgraad laat zien dat er nog een lange weg te gaan is voordat iemand durft te hopen dat er een praktische energiebron voorhanden is.
Het baanbrekende resultaat werd bereikt in de National Ignition Facility (NIF) van het Californische laboratorium, dat een reeks van 192 krachtige lasers gebruikt om kleine pellets deuterium en tritium te laten exploderen in een proces dat bekend staat als traagheidsopsluitingsfusie. Dit zorgt ervoor dat de brandstof implodeert, waardoor de atomen tegen elkaar worden geslagen en er hogere temperaturen en drukken ontstaan dan die in het centrum van de zon. De atomen smelten vervolgens samen, waardoor enorme hoeveelheden energie vrijkomen.
“Het toonde aan dat niets ons fundamenteel beperkt in het kunnen gebruiken van fusie in het laboratorium.” —Annie Kritcher, Lawrence Livermore Nationaal Laboratorium
De fabriek is sinds 2011 in bedrijf en lange tijd was de hoeveelheid energie die door deze reacties werd geproduceerd aanzienlijk minder dan de hoeveelheid laserenergie die in de brandstof werd gepompt. Maar op 5 december 2022 maakten NIF-onderzoekers bekend dat ze eindelijk break-even hadden gedraaid en 1,5 keer meer energie hadden gegenereerd dan nodig was om de fusiereactie op gang te brengen.
Gisteren verscheen een nieuw artikel in Fysieke beoordelingsbrieven bevestigt de beweringen van het team en beschrijft de complexe techniek die nodig is om dit mogelijk te maken. Hoewel de resultaten het aanzienlijke werk benadrukken dat voor ons ligt, zegt Annie Kritcher, een natuurkundige bij LLNL die leiding gaf aan het ontwerp van het experiment, dat het nog steeds een belangrijke mijlpaal in de fusiewetenschap vertegenwoordigt. “Het toonde aan dat niets ons fundamenteel beperkt in het gebruik van fusie in het laboratorium”, zegt ze.
Hoewel het experiment wordt gekarakteriseerd als een doorbraak, zegt Kritcher dat het feitelijk het resultaat was van nauwgezette stapsgewijze verbeteringen aan de apparatuur en processen van de fabriek. Concreet heeft het team jaren besteed aan het perfectioneren van het ontwerp van de brandstofpellet en de cilindrische gouden container waarin deze zit, bekend als de ‘hohlraum’.
Waarom is fusie zo moeilijk?
Wanneer de lasers de buitenkant van deze capsule raken, wordt hun energie omgezet in röntgenstraling die vervolgens de brandstofpellet doet exploderen, die bestaat uit een diamanten buitenschaal die aan de binnenkant is bedekt met deuterium- en tritiumbrandstof. De sleutel is om de hohlraum zo symmetrisch mogelijk te maken, zegt Kritcher, zodat de röntgenstralen gelijkmatig over de hele wereld worden verdeeld. Dit zorgt ervoor dat de brandstof aan alle kanten gelijkmatig wordt gecomprimeerd, waardoor deze de temperaturen en drukken bereikt die nodig zijn voor fusie. “Als je dat niet doet, kun je je voorstellen dat je plasma in één richting lekt, en dat je het niet voldoende kunt comprimeren en verwarmen”, zegt ze.
Het team heeft sindsdien nog zes experimenten uitgevoerd: twee die ongeveer dezelfde hoeveelheid energie produceerden als ze erin stopten en vier die deze aanzienlijk overtroffen.
Zorgvuldige aanpassing van laserstralen is ook belangrijk, zegt Kritcher, omdat laserlicht de hohlraum kan verstrooien, waardoor de efficiëntie afneemt en mogelijk de laseroptiek wordt beschadigd. Bovendien begint de laser, zodra hij de capsule raakt, een plasmawolk vrij te geven die de lucht verstoort. “Het is een race tegen de klok”, zegt Kritcher. “We proberen de laserpuls binnen te krijgen voordat dit gebeurt, omdat je dan de laserenergie niet kunt laten gaan waar je wilt.”
Het ontwerpproces is traag, omdat de faciliteit slechts een paar opnamen per jaar kan maken, waardoor het team niet in staat is om te herhalen. En het is een uitdaging om van tevoren te voorspellen hoe deze veranderingen zullen verlopen, vanwege ons gebrekkige begrip van de extreme fysica die daarbij speelt. “We schieten een klein doelwit neer met de grootste laser ter wereld, en er vliegt een hoop onzin rond”, zegt Kritcher. “En we proberen dat tot een heel, heel precies niveau te controleren.”
Door de resultaten van eerdere experimenten te analyseren en computermodellen te gebruiken, slaagde het team er echter in het probleem op te lossen. Ze ontdekten dat het gebruik van een laser met iets hoger vermogen in combinatie met een dikkere diamanten schaal rond de brandstofpellet de destabiliserende effecten van onvolkomenheden op het pelletoppervlak kan overwinnen. Bovendien ontdekten ze dat deze aanpassingen de fusiereactie lang genoeg kunnen helpen beperken zodat deze zichzelf in stand kan houden. Het resulterende experiment produceerde uiteindelijk 3,15 megajoule, aanzienlijk meer dan de 2,05 MJ die door de lasers werd geproduceerd.
Sindsdien heeft het team nog zes experimenten uitgevoerd: twee die ongeveer dezelfde hoeveelheid energie produceerden als het erin stopte en vier die deze aanzienlijk overtroffen. Consequent break-even draaien is een belangrijke prestatie, zegt Kritcher. Ze voegt er echter aan toe dat de aanzienlijke variabiliteit in de hoeveelheid geproduceerde energie iets blijft dat onderzoekers moeten aanpakken.
Dit soort inconsistenties zijn echter niet verrassend, zegt Saskia Mordijck, universitair hoofddocent natuurkunde aan het College of William and Mary in Virginia. De hoeveelheid geproduceerde energie hangt sterk samen met hoe zelfvoorzienend de reacties zijn, wat kan worden beïnvloed door zeer kleine veranderingen in de opstelling, zegt ze. Ze vergelijkt de uitdaging met het landen op de maan: we weten hoe we het moeten doen, maar het is zo’n enorme technische uitdaging dat er geen garantie is dat je het zult redden.
In dit verband publiceren onderzoekers van het Laser Energy Laboratory van de Universiteit van Rochester vandaag in het tijdschrift Natuurfysica dat ze een traagheidsfusiesysteem hebben ontwikkeld dat een honderdste keer zo groot is als de NIF. Hun lasersysteem van 28 kilojoule, zo merkte het team op, kan op zijn minst meer fusie-energie leveren dan er in het centrale plasma zit – een prestatie die op weg is naar het succes van NIF, maar nog ver weg is. Ze noemen wat ze hebben ontwikkeld een ‘bougie’ voor energiekere reacties.
De nieuw gerapporteerde resultaten van zowel NIF als LLE vertegenwoordigen stappen op een ontwikkelingspad – in beide gevallen blijft het pad lang en uitdagend als traagheidsopsluitingsfusie ooit meer moet worden dan een onderzoeksnieuwsgierigheid.
Naast de hierboven genoemde zijn er nog veel meer obstakels. Huidige berekeningen vergelijken de gegenereerde energie met de output van NIF-lasers, maar dit gaat voorbij aan het feit dat lasers meer dan 100 keer meer energie uit het elektriciteitsnet halen dan welke fusiereactie dan ook oplevert. Dit betekent dat de energiewinst of de laserefficiëntie met twee ordes van grootte zou moeten verbeteren om het in praktische zin de moeite waard te maken. De brandstofpellets van NIF zijn ook extreem duur, zegt Knijster, ze kosten ongeveer $ 100.000 per stuk. Het produceren van een redelijke hoeveelheid stroom zou dan een dramatische toename van de frequentie van NIF-schoten betekenen – een prestatie die nauwelijks denkbaar is voor een reactor die maanden nodig heeft om op te laden voor de volgende uitbarsting van nanoseconden.
“Dat zijn de grootste uitdagingen”, zegt Mordijck. “Maar ik denk dat als we ze passeren, het op dat moment echt niet zo moeilijk is.”
UPDATE: 6 februari 2024 18:00 ET: Het verhaal is bijgewerkt met nieuws over nieuwe onderzoeksresultaten van het Laser Energy Laboratory van de Universiteit van Rochester.
Uit artikelen op uw website
Gerelateerde artikelen op internet