Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Kranten en sites wereldwijd spreken over een ‘doorbraak’ en een ‘mijlpaal’ binnen de kernfusie. Wat is er precies gebeurd? En brengt dit resultaat energiecentrales die op fusie draaien echt dichterbij?
Wat is die mijlpaal waar iedereen het over heeft?
Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Californië hebben in hun National Ignition Facility (NIF) voor het eerst door middel van kernfusie – het doen samensmelten van atoomkernen – meer energie weten op te wekken dan nodig was om de fusiereacties op gang te krijgen. Dat is nog nooit eerder gelukt. Tot nu toe bleven experimentele kernfusiereactors altijd een eindje steken onder het punt dat break-even wordt genoemd: evenveel energie eruit als erin.
NIF deed het tijdens het betreffende experiment, uitgevoerd op 5 december, zelfs een stuk beter dan break-even. De faciliteit produceerde ruim 3 megajoule aan energie, terwijl de gebruikte lasers – 192 stuks – net iets meer dan 2 megajoule aanleverden.
Lees ook:
Wat, lasers? Komen er lasers te pas aan kernfusie?
Meestal niet. De meeste reactoren gebruiken magneetvelden om het plasma – het geïoniseerde gas – waarin de fusiereacties plaatsvinden in bedwang te houden. Maar er is ook een alternatieve manier. Daarbij bevindt zich een kleine capsule met waterstof in een cilinder. Vervolgens schiet je met een groot aantal lasers op die cilinder. Aan de binnenwand van die cilinder ontstaat daardoor naar binnen gerichte röntgenstraling, die de capsule van alle kanten tegelijk samendrukt en verhit. Daardoor ontstaan in die capsule kernfusiereacties.
En zo kun je dus netto energie opwekken?
Nou… Het ligt eraan hoe ver je uitzoomt. In augustus 2021 meldden NIF-onderzoekers al dat ze vijf keer zoveel energie uit een brandstofcapsule hadden gehaald als erin was gegaan. Dat klonk dus al behoorlijk als ‘netto energie opwekken’. Addertje onder het gras was toen dat je voor dat record puur en alleen naar de capsule moest kijken. Die absorbeerde 250 kilojoule aan energie uit de binnenkomende röntgenstraling en gaf vervolgens 1300 kilojoule vrij.
Maar keek je in plaats daarvan naar de hele cilinder waar de capsule zich in bevond, dan werd het een ander verhaal. Lang niet alle energie die de lasers aanvoerden, werd namelijk omgezet in röntgenstraling; zo’n 85 procent van die energie ging verloren. Dat betekent dat er alsnog meer energie de cilinder in ging dan er aan fusie-energie uit kwam. Nu is dat laatste niet meer zo. Tijdens het experiment van 5 december werd er daadwerkelijk anderhalf keer zoveel energie opgewekt als de lasers op de cilinder overbrachten.
Alleen: je kunt nóg een stap verder uitzoomen. De 192 lasers die de cilinder onder vuur namen, verbruikten samen namelijk zo’n 300 megajoule aan energie. En dat is weer bijna honderd keer zoveel als er ontstond bij de fusiereacties in de capsule.
Overigens geldt een vergelijkbaar verhaal voor kernfusie-experimenten die gebruikmaken van magneetvelden. Daar wordt de hoeveelheid energie die vrijkomt vergeleken met de hoeveelheid energie die nodig is om het plasma te verhitten. Zijn die twee gelijk, dan wordt er gesproken van break-even. Maar dat is bij lange na niet álle energie die zo’n experiment verbruikt.
We zijn dus nog een eind verwijderd van een krachtcentrale die met kernfusie energie opwekt?
Ja. Belangrijk is daarbij ook om te beseffen dat de mijlpaal van NIF niet betekent dat laserfusie nu ‘voorligt’ op fusie met magnetische velden. Fysici en ingenieurs weten inmiddels behoorlijk goed hoe je een tokamak bouwt; het populairste reactorontwerp dat met magneten werkt. Natuurlijk: de internationale reactor ITER, als hij af is de grootste tokamak ter wereld, wordt al decennialang geplaagd door vertragingen. En nog steeds duikt er om de zoveel tijd een nieuwe kink op in de kabels. Maar er ís een planning voor de komende decennia.
Bij laserfusie valt zo’n planning niet te maken. Daarvoor zijn er simpelweg nog te veel openstaande vragen. Hoe kunnen we dat enorme verschil tussen hoeveel energie de lasers verbruiken en hoeveel energie de capsule oplevert op termijn overbruggen? Hoe maken we die brandstofcapsules – die nu peperduur zijn – veel en veel goedkoper? En kunnen we de installatie zo inrichten dat hij niet meer urenlang hoeft af te koelen na één ‘laserschot’ op de capsule, maar meerdere schoten per minuut kan afvuren? Als een van die problemen onoplosbaar blijkt, dan is een commerciële laserfusiereactor simpelweg geen optie.
Dus hebben we hier niets aan?
Nou, dat ook weer niet. Het kan zeker handig zijn om meerdere routes richting commerciële kernfusie te bewandelen. Wie weet zit daar een ontwerp tussen dat onverwacht goed werkt en dat al eerder een krachtcentrale oplevert dan de route-ITER. Dat zou mooi zijn, want kernfusie is in de basis een aantrekkelijke duurzame energiebron die we graag een paar decennia eerder tot onze beschikking hebben.
En ook als die alternatieve routes stuk voor stuk doodlopende wegen blijken, hoeft al die moeite niet voor niets te zijn geweest. Dit soort pogingen kunnen altijd nuttige informatie opleveren waar andere initiatieven dan weer hun voordeel mee kunnen doen. Maar het resultaat van NIF – hoewel een indrukkende stap binnen de laserfusie – wil dus niet zeggen dat kernfusie als energiebron ineens een stuk dichterbij is gekomen.
Bronnen: LLNL, NewScientist
Beeld: LLNL