Aparte fusie

Een nieuwe aanpak om met behulp van uiterst krachtige laserpulsen een plasma sterk te comprimeren en separaat te verhitten lijkt een veelbelovende methode om op efficiënte wijze kernfusie-energie op te wekken. Dit schrijven Britse en Japanse fysici deze week in Nature. De laseraanpak is een alternatief voor de grootschalige torusvormige tokamak-fusiereactoren die honderden kubieke meters plasma via magnetische weg opsluiten en die ondanks tientallen jaren van onderzoek nog ver verwijderd zijn van het stadium van een commerciële energiecentrale.

Kernfusie is het proces waarbij twee lichtere atoomkernen samensmelten tot een zwaardere. Hierbij wordt massa omgezet in energie, volgens de vergelijking E = mc². De fusiereactie die de meeste energie geeft is die tussen deuterium en tritium, waterstofkernen met behalve een proton respectievelijk één en twee neutronen. Het probleem is deze deeltjes, die elkaar vanwege hun positieve elektrische lading afstoten, zoveel snelheid te geven dat ze elkaar toch dicht genoeg naderen om fusie te laten optreden. In de praktijk is een temperatuur van 50 miljoen graden Celsius vereist.

Dateren de eerste tokamaks al uit de jaren zestig, kernfusie via compressie is een relatief jonge techniek. Tot nu toe bestond hij erin dat een krachtige laserpuls de fusiebrandstof samenperst en tot ontsteking brengt. Op dit moment zijn in de Verenigde Staten en Frankrijk laserinstallaties ter grootte van een voetbalstadion in aanbouw die pulsen moeten leveren van 2 megajoules met een duur van enkele nanoseconden. Dat komt neer op een (kortstondig) vermogen van een petawatt (een miljoen miljard watt). De bedoeling is dat deze installaties vijftien keer zoveel fusie-energie opleveren als de energie die het kost om de laser aan de praat te krijgen.

Het probleem met deze laseraanpak is dat de brandstofschillen (grootte: enkele millimeters) extreem glad en bolvormig moeten zijn, en dat de laserdruk die erop wordt uitgeoefend al even gelijkmatig dient te zijn. Alleen op die manier ontstaat in het midden van de capsule een samengeperst punt waarin kernfusie optreedt. Is de vereiste precisie in een eenmalig `shot' geen probleem, in een commerciële fusiecentrale moet de laser tien keer per seconde een ontsteking leveren en eer het zover is zijn er forse technische (en economische) hobbels te nemen.

In het nu gepubliceerde `snelle-ontstekingsconcept' zijn deze moeilijkheden omzeild door het comprimeren en verhitten van de brandstofschil gescheiden van elkaar te laten verlopen. Eerst perst een laserpuls de brandstofschil in dit geval van polystyreen met zware waterstof samen. Zodra dat proces op zijn hoogtepunt is, wordt een andere laserpuls (met een vermogen van 10 petawatt en een duur van 100 nanoseconden) via een goudkegel (die de tweede puls afschermt van de eerste zodat hij niet door het plasma wordt gehinderd) op de samengeperste brandstof gemikt. De laserenergie wordt daarbij overgedragen op elektronen die met bijna de lichtsnelheid bewegen en zo aan de rand van de brandstof voor de verhitting zorgdragen.

Analyse van kleinschalige plasma-experimenten, uitgevoerd met de Gekko XIII laser van de Universiteit van Osaka, leerde dat meer dan 20 procent van de laserenergie aan de elektronen ten goede was gekomen. Dat is voldoende om in een opgeschaald vervolgexperiment met deuterium-tritium-brandstof tot kernfusie te komen. In principe moet het mogelijk zijn via deze `snelle-ontstekingstechniek' 300 keer meer fusie-energie op te wekken dan aan toegevoerde laserenergie vereist is.

In een commentaar noemt Nature de techniek `veelbelovend maar speculatief'. Het blad waarschuwt voor te veel optimisme en stelt dat veel meer onderzoek nodig is om te kunnen vaststellen of de nieuwe aanpak levensvatbaar is. Zo'n getemperd optimisme kan in de wereld van de kernfusie geen kwaad: stagnatie is niet aan de orde maar te vaak zijn gouden bergen beloofd.