Wetenschappers van 's werelds grootste kernfusiefaciliteit, de National Ignition Facility (NIF) van de VS, zijn erin geslaagd een kernfusiereactie te produceren die meer energie opwekt dan verbruikt. ‘Dit was absoluut nodig voor de geloofwaardigheid van een fusie-energieprogramma.’
Beeld: De laservoorversterkers van de National Ignition Facility.
De zogeheten thermonucleaire ontsteking vond plaats op 5 december en op 13 december maakte de Amerikaanse regering het resultaat officieel bekend. De doorbraak maakt de wereldgemeenschap voor fusie-onderzoek enthousiast. Kernfusie is het verschijnsel dat de zon aandrijft, en hun onderzoek is erop gericht fusie te gebruiken als bron van vrijwel onbeperkte schone energie op aarde.
‘Het is een ongelooflijke prestatie’, zegt Mark Herrmann, adjunct-directeur voor fundamentele wapenfysica van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, waar het fusielaboratorium is gevestigd. Het baanbrekende experiment volgt op jaren werk van meerdere teams, met ontwikkelingen van lasers en optica tot computermodellen, aldus Herrmann. ‘Dat vieren we natuurlijk.’
NIF is het paradepaardje van het kernwapenprogramma van het Amerikaanse ministerie van Energie. Het is opgericht om reacties door dergelijke wapens te bestuderen. Oorspronkelijk was het de bedoeling dat de ontstekingsreactie al in 2012 zou plaatsvinden, maar het centrum kreeg kritiek te verduren vanwege vertragingen en kostenoverschrijdingen. In augustus 2021 maakten NIF-wetenschappers bekend dat zij hun krachtige laser hadden gebruikt om een recordreactie tot stand te brengen. Die overschreed een kritische drempel op weg naar ontsteking, maar pogingen om dat experiment in de daaropvolgende maanden te herhalen liepen op niets uit. Uiteindelijk staakten de wetenschappers de pogingen om die reactie te repliceren en veranderden ze het ontwerp van het experiment - een inspanning die vorige week vruchten afwierp.
‘Er waren veel mensen die dachten dat het niet mogelijk was. Maar wij bleven erop vertrouwen dat het zou lukken en we hebben gelijk gekregen’, zegt Michael Campbell, voormalig directeur van het fusielaboratorium van de Universiteit van Rochester in New York en een vroege voorstander van NIF toen hij in het Lawrence Livermore lab werkte. ‘Ik ga er een glaasje op drinken.’
Wat heeft het NIF bereikt?
De faciliteit gebruikte haar 192 lasers om 2,05 megajoule energie af te geven aan een gouden cilinder ter grootte van een erwt, met daarin een bevroren schilfer van de waterstofisotopen deuterium en tritium. De energiepuls deed de capsule inklappen, waardoor temperaturen ontstonden die alleen in sterren en thermonucleaire wapens voorkomen. De waterstofisotopen versmolten tot helium, waarbij extra energie vrijkwam en een cascade van fusiereacties ontstond. Uit de analyse van het laboratorium blijkt dat ongeveer 3,15 megajoule aan energie is vrijgekomen - 54% meer energie dan in de reactie werd gestoken en meer dan het dubbele van het vorige record van 1,3 megajoule.
‘Fusieonderzoek vindt al plaats sinds het begin van de jaren vijftig, en dit is de eerste keer dat fusie in het laboratorium meer energie heeft opgeleverd dan verbruikt’, aldus Campbell.
Het experiment valt dus onder de definitie van thermonucleaire ontsteking, een maatstaf voor fusiereacties die de hoeveelheid energie die in het doelwit ging afweegt tegen de hoeveelheid energie die vrijkwam. Maar hoewel de fusiereacties meer energie hebben opgeleverd dan de input, hebben de 192 lasers van NIF daarbij 322 megajoule aan energie verbruikt.
‘Het is een grote mijlpaal, maar NIF is geen fusie-energieinstallatie’, zegt Dave Hammer, nucleair ingenieur aan de Cornell University in Ithaca, New York.
Herrmann erkent dat ook en zegt dat er vele stappen zijn op weg naar laserfusie-energie. ‘NIF is niet ontworpen om efficiënt te zijn’, zegt hij. ‘Het is ontworpen om de grootst mogelijke laser te zijn voor onderzoek voor het [nucleaire] onderzoeksprogramma.’
Om tot de thermonucleaire ontsteking te komen, hebben NIF-wetenschappers voor de laatste laserschot meerdere veranderingen aangebracht, deels gebaseerd op analyses en computermodellen van de vorig jaar uitgevoerde experimenten. Ze verhoogden het laservermogen met ongeveer acht procent, en creëerden een nieuw doelwit met minder onvolkomenheden. Bovendien pasten ze de manier aan waarop de laserenergie op het doelwit werd overgebracht om een meer bolvormige implosie te veroorzaken. De wetenschappers wisten dat ze zich op het randje van fusieontsteking bevonden, en in die omstandigheden, zegt Herrmann, ‘kunnen kleine veranderingen een groot verschil maken’.
Waarom zijn deze resultaten belangrijk?
Aan de ene kant gaat het erom te bewijzen wat mogelijk is. Op dat vlak hebben veel wetenschappers het resultaat toegejuicht als een mijlpaal in de fusiewetenschap. Maar de resultaten zijn bijzonder belangrijk voor het NIF: in de faciliteit moeten kernwapenwetenschappers de intense hitte en druk bestuderen die optreden in thermonucleaire explosies, en dat is alleen mogelijk als de faciliteit hoogrendementsfusiereacties produceert.
Het heeft meer dan tien jaar geduurd, ‘maar ze hebben hun doel bereikt’, zegt Stephen Bodner, een natuurkundige die voorheen aan het hoofd stond van het laserfusieprogramma van het US Naval Research Laboratory in Washington DC. Volgens Bodner is de grote vraag nu wat het Ministerie van Energie gaat doen: het wapenonderzoek bij NIF voortzetten of overgaan op een laserprogramma dat specifiek gericht is op onderzoek naar fusie-energie.
Wat betekent dit voor fusie-energie?
De resultaten hebben belangstelling voor een toekomst met schone fusie-energie weer doen oplaaien, maar deskundigen waarschuwen dat er nog een lange weg te gaan is.
NIF-wetenschappers geven grif toe dat de faciliteit niet is ontworpen voor commerciële fusie-energie, en veel onderzoekers betwijfelen of lasergestuurde fusie de aanpak zal zijn die uiteindelijk fusie-energie zal opleveren. Maar Campbell gelooft dat het succes het vertrouwen in laserfusie-energie kan vergroten en uiteindelijk de deur kan openen voor een nieuw programma gericht op energietoepassingen. ‘Dit was absoluut nodig voor de geloofwaardigheid van een fusie-energieprogramma’, zegt hij.
Kim Budil, directeur van het Lawrence Livermore laboratorium, beschreef de prestatie als een proof of concept. ‘Ik wil u niet het gevoel geven dat we de NIF op het net gaan aansluiten: zo werkt dit absoluut niet’, zei ze tijdens een persconferentie in Washington DC. ‘Maar dit is de fundamentele bouwsteen van een systeem voor traagheidsfusie-energie.’
Er zijn wereldwijd vele andere fusie-experimenten die met verschillende benaderingen proberen fusie voor energietoepassingen tot stand te brengen. Maar er blijven technische uitdagingen. Installaties ontwerpen en bouwen die de door de fusie geproduceerde warmte omzetten in een aanzienlijke hoeveelheid energie, die op zijn beurt kan worden omgezet in bruikbare elektriciteit, is er daar een van.
‘Hoewel dit positief nieuws is, is dit resultaat nog ver verwijderd van de werkelijke energiewinst die nodig is voor de productie van elektriciteit’, zei Tony Roulstone, onderzoeker kernenergie aan de Universiteit van Cambridge, VK, in een verklaring aan het Science Media Centre.
Toch ‘zijn de NIF-experimenten gericht op fusie-energie absoluut waardevol op de weg naar commerciële fusie-energie,’ zegt Anne White, een plasmafysicus aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.
Wat zijn de volgende belangrijke mijlpalen in fusie?
Om aan te tonen dat het type fusie dat bij NIF wordt bestudeerd een levensvatbare manier is om energie te produceren, moet de efficiëntie van de opbrengst - de vrijgekomen energie in vergelijking met de energie die wordt gebruikt voor het produceren van de laserpulsen - met ten minste twee orden van grootte toenemen.
De snelheid waarmee de lasers de pulsen kunnen produceren zal omhoog moeten, net als de snelheid waarmee de doelwitkamer kan worden ontruimd en voorbereid op een nieuwe verbranding, zegt Time Luce, hoofd wetenschap en exploitatie van het internationale kernfusieproject ITER, dat in St-Paul-lez-Durance, Frankrijk, wordt gebouwd.
‘Voldoende events die herhaaldelijk voldoende fusie-energie produceren zullen een belangrijke mijlpaal zijn’, zegt Luce.
Het ITER-project is een samenwerking tussen China, de Europese Unie, India, Japan, Korea, Rusland en de Verenigde Staten en kost meer dan 20 miljard euro. Het is gericht op zelfonderhoudende fusie: de fusie-energie produceert opnieuw fusie, een andere techniek dan de traagheidsfusie-aanpak van NIF. ITER houdt een plasma van deuterium en tritium opgesloten in een torusvormige kamer met magneetspoelen, of tokamak, en verhit het totdat de kernen fuseren. Wanneer het daarmee in 2035 begint, is het de bedoeling het 'brandstadium' te bereiken, legt Luce uit, ‘waarbij de zelfverwarmende kracht de dominante verwarmingsbron is’. Een dergelijke zichzelf onderhoudende fusie is essentieel voor een hogere energieproductie dan -input.
Wat betekent dit voor andere fusie-experimenten?
NIF en ITER zijn twee van de vele fusietechnologieën die regeringen overal ter wereld nastreven. De benaderingen omvatten onder meer magnetische opsluiting van plasma - in tokamaks en stellarators - en traagheidsfusie, gebruikt door NIF, en een hybride van de twee.
De technologie die nodig is om elektriciteit uit kernfusie te halen staat grotendeels los van het concept, en, zegt White, en deze mijlpaal zal er niet noodzakelijk toe leiden dat onderzoekers concepten opgeven of er net mee doorgaan.
De technische uitdagingen voor NIF verschillen van die voor ITER en andere faciliteiten. Maar de symbolische prestatie kan grote gevolgen hebben. ‘Een resultaat als dit zorgt voor meer belangstelling voor de voortgang van alle soorten fusie, dus het zou een positief effect moeten hebben op het fusieonderzoek in het algemeen’, zegt Luce.
Dit artikel verscheen eerder in Nature News.
