Amerikaanse onderzoekers hebben een mijlpaal weten te vestigen: door bijna tweehonderd lasers af te vuren op een capsule met kernfusiebrandstof, hebben ze daar 1300 kilojoule aan energie uit weten te halen; vijf keer zoveel als de capsule in ging.
Meestal gaat het bij kernfusie – het samensmelten van lichte atomen waarbij energie vrijkomt – om plasma’s die door magneetvelden in bedwang worden gehouden. Dat is bijvoorbeeld het geval bij de internationale fusiereactor ITER, die momenteel in Zuid-Frankrijk verrijst. Maar er is een alternatieve route: je kunt ook een capsule met fusiebrandstof van alle kanten onder vuur nemen met lasers.
Die aanpak heeft aan de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in de VS nu geleid tot een indrukwekkend nieuw record. Daarbij absorbeerde de capsule 250 kilojoule aan energie, terwijl er bij de fusiereacties vervolgens 1300 kilojoule vrijkwam.
Spectaculair
Het is overigens niet de eerste keer dat er meer energie in een capsule werd opgewekt dan erin ging. Dat lukte ook al in de zomer van 2014, zij het met veel lagere energieën en een veel kleiner verschil tussen wat er aan energie in en uit ging.
Verder zijn die 250 kilojoule niet het hele verhaal. De in totaal 192 lasers die op de brandstofcapsule vuurden, verbruikten samen 1900 kilojoule – meer dus dan de 1300 kilojoule die vrijkwam bij de fusiereacties.
Waar dat verschil tussen 1900 en 250 kilojoule hem in zit: al die laserstralen worden niet direct op de capsule gericht. In plaats daarvan verhitten ze de binnenwand van een kleine cilinder. Die binnenwand zendt vervolgens röntgenstraling uit die de capsule midden in de cilinder vanuit alle richtingen tegelijk samendrukt en verhit, met fusiereacties tot gevolg. En bij die omzetting van het oorspronkelijke, ultraviolette laserlicht naar röntgenstraling gaat zo’n 85 procent van de energie verloren.
Toch noemt Marco de Baar, directeur van het Nederlandse energie-instituut DIFFER, het resultaat ‘spectaculair’. ‘Ik herinner me nog dat we toen ik net gepromoveerd was over deze opzet zeiden: ‘Dat wordt nooit wat.’ Dus petje af dat het ze nu toch gelukt is.’
Extreem korte tijd
Wat De Baar betreft, is het écht grote nieuws trouwens niet hoeveel energie er vrijkwam, maar wat er ín die brandstofcapsule is gebeurd. Bij de fusiereacties waar het hier om gaat, worden een deuterium- en een tritiumkern (waterstofkernen met respectievelijk één en twee neutronen) samengesmolten tot een heliumkern en een neutron. Dat neutron krijgt daarbij het grootste deel van de energie mee, maar de heliumkern vertegenwoordigt ook zo’n 20 procent van het totaal.
En, zo blijkt nu, die heliumkernen staan flink wat van die energie weer af in de extreem korte tijd dat een fusie-experiment in de NIF-opstelling duurt: in de orde van 100 biljoensten van een seconde. ‘Zo stoken de ontstane heliumkernen de druk en de temperatuur nog verder op’, zegt De Baar. ‘En juist dat proces is ook heel interessant als je met magneetvelden een plasma opsluit, zoals in ITER.’
Hoewel de heliumkernen dus verrassend goed meehelpen met het aan de gang houden van fusiereacties, spreekt NIF nog niet van ignition of ontbranding van het plasma. Wel stelt het persbericht over de mijlpaal dat het lab zich met dit resultaat ‘op de drempel van ontbranding’ bevindt.
Geen stap richting een reactor
En betekent het dan dat laserfusie een veelbelovende manier is om energie op te wekken? Hebben we hier, met andere woorden, een kansrijk alternatief beet voor ITER? Nee, zegt De Baar; hij verwacht niet dat er een reactorontwerp gaat komen dat gebruikmaakt van laserfusie. ‘Voor energieopwekking is dit geen interessante technologie. Dit resultaat zal ons vooral helpen om brandend plasma beter te begrijpen.’
Ook het lab zelf claimt niet dat dit een stap is richting een fusiereactor die de klus klaart met lasers in plaats van magneetvelden. In het persbericht ligt de nadruk vooral op de belangrijkste opdracht van de faciliteit: het leveren van data en inzichten die het beheer van kernwapens ten goede kunnen komen. De mogelijke bijdrage die het onderzoek kan leveren aan kernfusie als energiebron, wordt maar kort aangestipt.
Even geduld
Goed om te weten is verder dat het onderzoek nog niet door andere wetenschappers is beoordeeld en nog niet is gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift. Tegenover Physics Today zegt NIF-directeur Mark Herrmann dat de resultaten al aan het uitlekken waren; daarom is besloten het onderzoek in dit stadium al vrij te geven. Maar het kan dus zo zijn dat niet bij het onderzoek betrokken wetenschappers nog met kritiekpunten komen.
Verder kunnen de onderzoekers op dit moment niet zeggen wélke combinatie van verbeteringen aan hun experiment precies heeft geleid tot hun record van ‘vijf keer zoveel energie eruit als erin’. Bovendien kost het maanden om nieuwe brandstofcapsules en cilinders te laten produceren. Het zal dus nog wel even duren voordat de NIF-onderzoekers hun bijzondere resultaat weten te reproduceren.
