De mijlpaal van de ontsteking van de National Ignition Facility zorgt voor een nieuwe impuls voor laserfusie

Al meer dan een decennium werken natuurkundigen aan de Lawrence Livermore National Laboratory in Californië hebben geprobeerd iets in het laboratorium te doen dat eerder alleen in de kernkoppen van waterstofbommen was voorgekomen. Hun doel was om intense lichtpulsen te gebruiken van 's werelds grootste laser - de $ 3.5 miljard Nationale ontstekingsfaciliteit (NIF) - om kleine capsules waterstofbrandstof te verpletteren zodat de uitzonderlijke temperaturen en drukken die daarin worden gecreëerd energieproducerende fusiereacties opleveren. Tot eind vorig jaar hadden ze door een reeks technische tegenslagen hun doel, de zogenaamde ontsteking, niet kunnen bereiken. Maar net na 1 uur op 5 december een groter dan gebruikelijke uitbarsting van neutronen in de detectoren rond de focus van de laser gesignaleerd succes – de reacties hebben in dit geval meer dan 1.5 keer de energie geproduceerd die ze verbruikten.

De prestatie zorgde voor krantenkoppen over de hele wereld en stimuleerde de verbeelding van het publiek, politici en fusie-experts. De Amerikaanse energiesecretaris Jennifer Granholm prees de "mijlpaalprestatie", terwijl Michael Campbell van de Universiteit van Rochester in de VS beschreef het resultaat als een "Wright Brothers-moment" voor fusieonderzoek. Voor Steven Rose van Imperial College London, neemt de aankondiging elke aanhoudende twijfel weg dat zulke hoge fusie-energieën haalbaar zijn. "Als je geen energiewinst van meer dan één krijgt, zouden mensen kunnen beweren dat je het nooit kunt bereiken", zegt hij.

Het resultaat hernieuwde optimisme dat fusie eindelijk een nieuwe bron van schone, veilige, beveiligde en duurzame energie mogelijk zou maken. Nu proberen regeringen en vooral particuliere bedrijven het enorme potentieel van fusie-energie te benutten - waarbij sommige bedrijven zelfs beloven dat ze tegen het begin van het volgende decennium elektriciteit aan het net zullen leveren vanuit proefcentrales.

Sommige wetenschappers zijn echter van mening dat dergelijke tijdschema's onrealistisch zijn, gezien de enorme technische hindernissen die er nog zijn op de weg naar fusie-energie. Anderen beweren dat een tijdshorizon van 10 tot 15 jaar haalbaar is, zolang onderzoekers en hun financiers de juiste mentaliteit aannemen. Voor Troy Carter aan de Universiteit van Californië, Los AngelesDit betekent dat de afhankelijkheid van grote, dure, gecentraliseerde faciliteiten, zoals het NIF ter grootte van een voetbalstadion, moet worden beëindigd en dat in plaats daarvan moet worden overgestapt op kleinere, goedkopere projecten onder leiding van de meer risicotolerante particuliere sector. "We moeten onze manier van zakendoen veranderen", zegt hij.

Eindelijk op doel

Om de energie te benutten die vrijkomt wanneer lichte kernen samensmelten, moet de splijtstof in de vorm van een plasma worden gehouden bij temperaturen van ongeveer 100 miljoen kelvin. Een manier om dit te doen is het plasma gedurende vrij lange tijd op te sluiten in een magnetisch veld terwijl het wordt verwarmd met radiogolven of deeltjesbundels. Tot nu toe is een dergelijke "magnetische opsluiting" de voorkeursroute van natuurkundigen naar fusie-energie geweest. Dit zal worden gebruikt in zowel 's werelds duurste openbare als particuliere reactoren: de $ 20 + miljard ITER fabriek in aanbouw in het zuiden van Frankrijk en een door het bedrijf gebouwde machine Commonwealth Fusion-systemen Fusion buiten Boston, VS, dat tot nu toe minstens 2 miljard dollar aan financiering heeft opgehaald.

In plaats van te proberen een stabiele toestand te bereiken, werken reactoren met "traagheidsopsluiting" enigszins als een verbrandingsmotor: ze genereren energie door een zich herhalende cyclus van explosies die vluchtig enorme temperaturen en drukken creëren. NIF doet dit door 192 laserstralen te versterken en te focussen op een kleine holle metalen cilinder met in het midden een capsule ter grootte van een peperkorrel die de waterstofisotopen deuterium en tritium bevat. Röntgenstralen gegenereerd door de wanden van de cilinder schieten van het buitenoppervlak van de capsule, waardoor de rest naar binnen wordt gedwongen dankzij behoud van momentum en waardoor de deuterium- en tritiumkernen erin samensmelten - waarbij alfadeeltjes (heliumkernen) vrijkomen ), neutronen en heel veel energie.

Dit proces is buitengewoon veeleisend en vereist uitzonderlijk nauwkeurige bundelfocussering en ultragladde capsules om de bijna perfect symmetrische implosies te garanderen die nodig zijn voor fusie. Inderdaad, instabiliteiten in het plasma veroorzaakt door onder andere de implosies en defecten in de capsules zorgden ervoor dat de Livermore-onderzoekers in 2012 ver achterbleven bij hun aanvankelijke doel van ontsteking (of "break-even"). Maar door een reeks nauwgezette metingen op opeenvolgende laserschoten waren ze in staat om geleidelijk hun experimentele opstelling te verfijnen en uiteindelijk het historische schot af te vuren - waarbij ze 3.15 miljoen joule (MJ) fusie-energie opleverden na het afleveren van 2.05 MJ laserenergie aan het doelwit.

Omar Hurricane, hoofdwetenschapper van Livermore's inertiële opsluitingsfusieprogramma, zegt dat ze nu van plan zijn hun werk te "herprioriteren" om hogere, reproduceerbare winsten te behalen door de laserenergie van NIF te stimuleren in stappen van ongeveer 0.2 MJ. Ze zijn ook van plan het effect te bestuderen van het variëren van de dikte van de splijtstof in de capsules en het verkleinen van de laseringangsgaten van de cilinder. Hij wijst er echter op dat NIF nooit is ontworpen om praktische fusie-energie te demonstreren - aangezien het belangrijkste doel van de faciliteit is om experimentele gegevens te verstrekken ter ondersteuning van de Amerikaanse (niet langer geteste) voorraad kernwapens. Als zodanig is NIF extreem inefficiënt - de 2 MJ flitslamp gepompte laser vereist ongeveer 400 MJ elektrische energie, wat neerkomt op een "wall-plug" -efficiëntie van slechts 0.5%.

National Ignition Facility demonstreert als wereldprimeur nettowinst op het gebied van fusie-energie

Riccardo Betti van de Universiteit van Rochester zegt dat moderne lasers die door diodes worden gepompt een efficiëntie van wel 20% kunnen bereiken, maar wijst erop dat de marges die nodig zijn voor energiecentrales (inclusief energieverlies tijdens de omzetting van warmte in elektriciteit) betekenen dat zelfs deze apparaten doelwinsten nodig hebben van "ten minste 50– 100” (vergeleken met NIF's 1.5). Ze zullen ook meerdere keren per seconde moeten "vuren", terwijl NIF slechts ongeveer één keer per dag een schot genereert. Dit hoge herhalingspercentage zou in massa geproduceerde doelen vereisen die hoogstens enkele tientallen centen kosten, vergeleken met de honderdduizenden dollars die nodig zijn voor die bij NIF (die zijn gemaakt van goud en synthetische diamant).

De markt betreden

Een bedrijf dat ondanks alle hindernissen gelooft dat het fusie-energie kan commercialiseren, is een in Californië gevestigd bedrijf Longview Fusion-energiesystemen. Longview, opgericht in 2021 door verschillende voormalige Livermore-wetenschappers, waaronder ex-NIF-directeur Edward Moses, heeft tot doel het doelontwerp van NIF te combineren met diode-gepompte solid-state lasers. Het bedrijf kondigde zijn bestaan ​​​​aan op dezelfde dag dat Livermore het recordbrekende schot van NIF meldde en zei dat het van plan was om binnen de komende vijf jaar te beginnen met de bouw van een proefcentrale.

Longview zegt dat het van plan is om uiterlijk in 50 2035 MW elektriciteit aan het net te leveren. Het bedrijf erkent dat dit niet eenvoudig zal zijn, aangezien het een laserefficiëntie en een herhalingsfrequentie van respectievelijk 18% en 10-20 Hz voor ogen heeft. Er staat met name dat hoewel de noodzakelijke diodes al bestaan, ze "nog niet zijn verpakt in een geïntegreerde bundellijn voor een laser op fusieschaal". Maar het blijft erop vertrouwen dat het zijn deadline kan halen, en merkt op dat de laser binnen een factor twee van de optische schadedrempel ligt die nodig is voor de proeffabriek.

Niet iedereen is overtuigd. Stephen Bodner, voorheen hoofd van het laserfusieprogramma bij het US Naval Research Laboratory in Washington DC, beweert dat NIF's "indirect-drive"-technologie te veel energie verspilt aan het genereren van röntgenstralen (in plaats van het direct verlichten van brandstofcapsules). Hij staat ook sceptisch tegenover de bewering van Longview dat het de doelkosten kan verlagen tot minder dan $ 0.30 door de aanzienlijke engineering- en kapitaalkosten te spreiden over de 500 miljoen doelen die het naar eigen zeggen nodig zal hebben voor zijn proeffabriek. "Er is geen enkele manier waarop een fusiedoel zoals dat op NIF wordt gebruikt, ooit voldoende verbeterd kan worden voor commerciële fusie-energie", zegt hij.

De laserfusie-mijlpaal van de National Ignition Facility zorgt voor discussie

Toch is Longview verre van de enige die gelooft dat het de technologie bij de hand heeft om fusie-energie naar de wereld te brengen. Een vorig jaar opgesteld rapport Door de Vereniging voor de Fusion-industrie handelsorganisatie somt 33 bedrijven in de VS en elders op die werken aan fusietechnologie - waarvan vele ook agressieve tijdschema's hebben voor het ontwikkelen van energiecentrales. Een van die bedrijven is Eerste licht, gevestigd in de buurt van Oxford, VK. In plaats van laserpulsen te gebruiken om brandstofcapsules samen te drukken, lanceert First Light in plaats daarvan materiële projectielen - postzegelvormige stukken metaal - met extreem hoge snelheden met behulp van de elektromagnetische kracht die wordt geleverd door een enorme reeks condensatoren die allemaal bijna onmiddellijk ontladen. De projectielen raken speciaal gemaakte doelen, die elk de impactdruk op een binnenin ingebedde brandstofcapsule richten en versterken.

Het bedrijf heeft tot nu toe zo'n £ 80 miljoen aan financiering opgehaald en fusie gedemonstreerd met behulp van de grootste gepulste energiecentrale in Europa. De volgende stappen, volgens mede-oprichter en CEO Nicholas Hawker, zijn het demonstreren van ontsteking met een veel grotere machine over ongeveer vijf jaar en vervolgens een proeffabriek in "het begin tot het midden van de jaren 2030". Hawker geeft toe dat er talloze uitdagingen in het verschiet liggen, zoals het een voor een kunnen laden van projectielen en het ontwikkelen van voldoende robuuste hoogspanningsschakelaars, maar hij heeft er alle vertrouwen in dat de fysica van het plan solide is. "De brandstofcapsule is precies hetzelfde als die van NIF, dus het recente resultaat vermindert ook enorm de risico's voor ons systeem." 

Contant geld nodig

Als het op natuurkunde aankomt, meent Betti dat fusie door inertiële opsluiting beter geplaatst is dan magnetische opsluiting. Hoewel NIF nu heeft aangetoond dat de eerste zelfvoorzienende reacties kan opwekken, betoogt hij dat instabiliteiten die dicht bij de ontstekingsdrempel worden gegenereerd, betekenen dat er nog steeds grote onzekerheden zijn over de vraag of tokamaks dit voorbeeld kunnen volgen. Desalniettemin zegt hij dat beide vormen van fusie formidabele hindernissen moeten overwinnen als ze economisch concurrerende energie willen opleveren - inclusief het aantonen van grote voordelen van in massa geproduceerde doelen als het gaat om laserfusie. “Ik vind het moeilijk te geloven dat een energiesysteem in 10 jaar klaar kan zijn”, zegt hij.

NIF-wetenschappers hebben het afgelopen decennium uitstekend werk geleverd door een aantal zeer moeilijke natuurkundige problemen op te lossen. Ze moeten worden erkend voor hun geweldige werk

Stephan Bodner

Carter is optimistischer. Hij beweert dat proefinstallaties in ongeveer tien jaar tijd gerealiseerd kunnen worden, zolang particuliere bedrijven de leiding nemen bij de bouw ervan, terwijl overheden meer fundamenteel onderbouwend onderzoek ondersteunen, zoals onderzoek naar stralingsbestendige materialen. Maar hij waarschuwt dat de benodigde financiering aanzienlijk zal zijn - ongeveer $ 500 miljoen extra per jaar in het geval van de Amerikaanse regering. Als het geld er is, voegt hij eraan toe, kunnen grootschalige commerciële installaties "eerder dan 2050" worden ingeschakeld.

Wat betreft welke technologie in de fabrieken terecht zal komen, benadrukt Bodner dat het niet gebaseerd zal zijn op indirecte aandrijving. Hoogstwaarschijnlijk, beweert hij, zal het traagheidsopsluiting zijn op basis van een ander soort lasersysteem, zoals argon-fluoride gaslasers. Maar hij erkent dat het opschalen van elk systeem onzekerheden met zich meebrengt. En hij prijst NIF-wetenschappers omdat ze het fusieonderzoek zover hebben gebracht. "Ze hebben het afgelopen decennium fantastisch werk geleverd door een aantal zeer moeilijke natuurkundige problemen op te lossen", zegt hij. "Ze moeten worden erkend voor hun geweldige werk."

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/