Kernfusie levert voor het eerst energie op

Voor het eerst is het wetenschappers van de Amerikaanse National Ignition Facility gelukt om netto energie te persen uit kernfusiereacties. Ze schoten met 192 krachtige lasers op een kleine hoeveelheid deuterium en tritium, dat via kernfusie meer energie genereerde dan ze met de lasers hadden geïnvesteerd. Een mijlpaal in het kernfusie-onderzoek.

14 februari 2014

Al sinds de oplevering van de miljarden kostende National Ignition Facility (NIF) in 2009 hebben wetenschappers hun uiterste best gedaan om hem aan de praat te krijgen. Tevergeefs. Althans, de faciliteit in het Amerikaanse Livermore werkt zelf wel, maar met de kernfusiereacties die hij moest opwekken wilden het niet vlotten. Er was kernfusie, in de vorm van deuterium- en tritiumatomen die fuseerden tot helium, maar de energie-opbrengsten bleven ver achter bij de verwachtingen.

De kamer waarin wetenschappers van de Amerikaanse National Ignition Facility kernfusie proberen op te wekken. Met 192 krachtige lasers schieten ze op de punt van deze houder waar zich een kleine hoeveelheid deuterium en tritium bevindt. Door de snel oplopende temperatuur en druk hoopt men kernfusiereacties op te wekken.
National Ignition Facility

Met de organisatie al op de schop en de onderzoeksbudgetten gekort, komt er nu toch plots goed nieuws uit het NIF-kamp. Onderzoeker Omar Hurricane en collega’s melden in een artikel dat 12 februari op de website van Nature verscheen dat het met een nieuwe serie experimenten is gelukt om de energie-opbrengst uit de kernreacties met een factor tien op te krikken. Ze komen daarmee zelfs boven het _break-even_-punt wat wil zeggen dat er meer energie uit reactie komt dan erin is gegaan.

De NIF beschikt over 192 krachtige infraroodlasers die in een tijdsbestek van slechts 2 × 10^-8 seconden maximaal 1,9 miljoen joule kunnen leveren in een klein gouden cilindertje dat in het midden van een grote bolvormige kamer is opgesteld. In dat cilindertje – de hohlraum genaamd – loopt de temperatuur als gevolg van dit laserbombardement rap op tot ongeveer 50 miljoen graden Celsius. Genoeg om kernfusiereacties op te wekken in een kleine hoeveelheid fusiebrandstof, dat zich in een plastic bolletje middenin het hohlraum bevindt. Voorwaarde daarvoor is wel dat naast de temperatuur ook de druk hoog genoeg is.

Dat bleek lastig. Om de druk van het kleine bolletje fusiebrandstof hoog genoeg te krijgen is het belangrijk dat het door de laserpulsen extreem gelijkmatig van alle kanten wordt ingedrukt. Tot nu toe werd daarbij geprobeerd om de fusiebrandstof tijdens deze implosie zo min mogelijk op te warmen en zo te ‘verstoren’. Maar Hurricane zag in zijn experimenten dat het opwarmen in deze fase juist bijdraagt aan de uiteindelijke energie-opbrengsten van het experiment.

Het beste presterende experiment leverde op deze manier 17.300 joule energie op, genoeg om een ouderwetse gloeilamp een paar minuten te laten branden. En daar moet je strikt genomen ook nog de pakweg 10.000 joule aftrekken die de wetenschappers moesten investeren in het opwarmen van de brandstof. Dat laatste is overigens een berekening van de energie die de brandstof bereikte, de hoeveelheid energie die de lasers daadwerkelijk produceerde lag meer dan honderd keer hoger.

Deze experimenten leiden dus nog allerminst tot de productie van (bruikbare) energie. Het primaire doel van de NIF is om kernreacties te onderzoeken zoals die plaatsvinden tijdens nucleaire explosies.

Geen ontbranding

Een mooie opsteker voor het NIF, en het kernfusie-onderzoek in het algemeen. Want, zo laten de wetenschappers weten, de uitkomsten van deze experimenten zijn in veel betere overeenstemming met computersimulaties van het experiment. Ook zijn er aanwijzingen dat het plasma van deuterium-, tritium- en heliumkernen in deze experimenten veel beter in staat is zichzelf op te warmen met de fusiereacties.

Dat laatste is cruciaal voor wat wetenschappers noemen, een ‘ontbranding’ van het plasma. Dát is namelijk de heilige graal van het kernfusie-onderzoek. Bij een ontbranding creëren fusiereacties zoveel energie dat het weer tot nieuwe fusiereacties leidt, een voorwaarde voor kernfusie als duurzame energiebron. Om dat te bereiken zouden de opbrengsten van deze experiment met bijna een factor 100 verbeterd moeten worden. En het is maar de vraag of dat mogelijk is.

Lange weg

Het kan nog wel even duren voordat ‘fusie-ontbranding’ een feit is. En van kernfusie als energiebron hoeven we waarschijnlijk de komende 50 jaar nog weinig te verwachten.

Want ook het andere grote kernfusieproject ITER zal een kwestie van de lange adem worden. In het Zuid-Franse Cadarache verrijst momenteel een enorm complex, waarmee wetenschappers in een grote donutvormige kamer de juiste conditie voor kernenergie proberen te creëren. Als alles daar goed gaat hoopt men in 2027 de eerste kernfusiereacties op te wekken waar meer energie uit komt dan dan erin is gegaan.