Met brandend plasma zetten Amerikanen grote stap in onderzoek kernfusie

In een Amerikaans experiment is een fractie van een seconde lang een brandend plasma gecreëerd dat zichzelf verhit door kernfusie. Het is een belangrijke stap voorwaarts in het kernfusieonderzoek.

Bij kernfusie, dat ook de zon aandrijft, smelten atoomkernen samen waarbij energie vrijkomt. Dit proces nabootsen op aarde is lastig vanwege de benodigde hoge temperatuur en druk. Het Amerikaanse experiment van de National Ignition Facility (NIF) krijgt dit voor elkaar door een capsule met brandstof te bombarderen met krachtige laserstralen. De onderzoekers hebben zo een recordenergie van 170 kilojoule kunnen opwekken met minder dan een halve milligram brandstof – al was er nog veel meer energie nodig om de kernfusie op gang te brengen.

Extreme temperaturen

Toch zijn de Amerikaanse resultaten een belangrijke stap, zegt Egbert Westerhof van het Eindhovense onderzoeksinstituut Differ. „Ze hebben bereikt dat de reactie niet alleen een gevolg is van de energie die er van buiten ingestopt wordt. De energie die door de fusie opgewekt wordt draagt ook bij.” Het fuserende plasma verhit zichzelf. De resultaten verschenen woensdag in Nature.

Het doel van het NIF-experiment is ook niet energieopwekking. „In de hele publicatie komt het woord energieopwekking niet voor”, zegt kernfusieonderzoeker Niek Lopes Cardozo van de TU Eindhoven. NIF-onderzoeker Steven Ross beaamt dat: „Deze experimenten zijn ontworpen om materialen te produceren bij extreme temperaturen en dichtheden die van nature niet op aarde voorkomen. Dit om de omstandigheden die je vindt in kernwapens, sterren en andere astrofysische verschijnselen te onderzoeken.”

Sinds er geen proeven met kernwapens meer mogen plaatsvinden, wordt het onderzoek daarnaar gedaan met computersimulaties, vertellen Lopes Cardozo en Westerhof. Experimenten zoals die van NIF worden gebruikt om te controleren of die simulaties kloppen.

Sciencefictionverhaal

Het Amerikaanse experiment lijkt thuis te horen in een sciencefictionverhaal. Het gebouw met de lasers is tien verdiepingen hoog en bijna drie voetbalvelden groot. De 192 laserbundels die daar opgewekt worden, richten de onderzoekers op een hol gouden cilindertje in een bijgebouwtje. Midden in dat cilindertje bevindt zich een balletje van nog geen twee millimeter groot dat bestaat uit een schilletje van een soort diamant met aan de binnenkant een laagje fusiebrandstof van 0,05 millimeter dik. De 192 laserstralen verhitten de binnenkant van het cilindertje waardoor de wanden röntgenstraling uitzenden. Die röntgenstraling drukt vervolgens het balletje samen waardoor het schilletje eraf vliegt, de brandstof implodeert en er een heet plasma ontstaat. De temperatuur loopt razendsnel op tot 50 miljoen graden waardoor de atoomkernen in het plasma fuseren.

De brandstof bestaat deuterium en tritium, zware varianten (isotopen) van waterstofatomen. Die fuseren tot heliumatoomkernen. Deze heliumatoomkernen verhitte het plasma verder door ermee te botsen. De NIF-onderzoekers toonden aan dat het fusieplasma zichzelf kon verhitte dankzij deze heliumatoomkernen. Lang duurde dit niet. Het plasma brandde nog geen miljardste van een seconde.

De zelfverhitting met heliumatomen is een stap naar het volgende doel van NIF: een plasma dat ontbrandt. Bij ontbranding is het kantelpunt waarbij de zelfverhitting groter dan het energieverlies waardoor het plasma zelfstandig brandt.

Het is technologisch en theoretisch spannend

Niek Lopes Cardozo TU Eindhoven

Een van de grootste uitdagingen om tot de zelfverhitting te komen, was de samendrukking van het brandstofballetje. „Deze moet uniform worden samengedrukt, omdat asymmetrieën in de implosie leiden tot energieverspilling”, mailt Ross. „Dankzij verbeteringen in de laserstralen, het cilindertje en de kwaliteit van het bolletje lukt het om het brandende plasma te creëren.”

„De NIF-onderzoekers hebben enorme vooruitgang geboekt”, zegt Lopes Cardozo. „Het experiment is technologisch en theoretisch spannend en interessant.” In principe zou de fusietechniek ook gebruikt kunnen worden voor energieopwekking, maar dat is nog ver weg. Daarvoor moet het hele proces veel efficiënter. „Nu wordt er maximaal een paar keer per dag een balletje geïmplodeerd. Dat moeten er tien per seconde worden als je genoeg energie wilt opwekken voor een noemenswaardige energiecentrale.”