Door gegevensanalyse is bevestigd dat een experiment uit 2021 kernfusie heeft doen ontsteken. Pogingen om dit het afgelopen jaar te herhalen zijn nog niet gelukt.

Een analyse, gepubliceerd in het natuurkundevakblad Physical Review Letters, heeft bevestigd dat een experiment in 2021 een kernfusiereactie heeft veroorzaakt die genoeg energie oplevert om zichzelf in stand te houden. Dat brengt de bruikbaarheid van kernfusie als energiebron een stap dichterbij.

De fusie-ontsteking vond plaats op 8 augustus 2021 in de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, maar NIF-onderzoekers zijn er sindsdien niet in geslaagd om deze mijlpaal te reproduceren. Ze hebben het afgelopen jaar de experimentele omstandigheden geanalyseerd die toen tot ontsteking leidden, om te bepalen hoe zij het kunstje kunnen herhalen.

Een extreme vorm van encryptie kan het privacyprobleem van big data oplossen
LEES OOK
Een extreme vorm van encryptie kan het privacyprobleem van big data oplossen

Krachtige laserbundels

Bij het experiment raakten 192 van ‘s werelds krachtigste laserbundels een millimetergrote capsule gevuld met waterstof. Hierdoor veranderde de capsule in een heet plasma dat ineenstortte tot een bolletje dat ongeveer 18 duizend keer heter was dan het oppervlak van de zon. De druk was meer dan 100 miljoen keer de atmosferische druk.

Onder deze extreme omstandigheden fuseerden waterstofatoomkernen tot heliumatoomkernen, en kwam 1,3 megajoule aan energie vrij. Dat is het equivalent van een vermogen van 10 quadriljoen Watt gedurende 100 triljoensten van een seconde. Dit was de hoogste energieopbrengst die NIF ooit heeft bereikt.

Uit de nieuwe analyse blijkt dat het experiment de installatie ook dichter bij het soort fusiereactie heeft gebracht dat uiteindelijk als energiebron zou kunnen dienen, door te voldoen aan het zogeheten Lawson-criterium voor ontsteking. Dat stelt dat de verhitting door de kernfusie krachtig genoeg moet zijn om alle fysische processen te overwinnen die het plasma zouden kunnen afkoelen.

Lawson-criterium

‘We hebben vastgesteld dat we het criterium van Lawson hebben gehaald, wat bewijst dat dit niet alleen mogelijk is, maar ook dat het mogelijk is bij het NIF’, zegt natuurkundige en ontwerper van het experiment Annie Kritcher. ‘Dit is de eerste keer dat we het criterium van Lawson in het lab hebben overschreden.’

Natuurkundige Sam Wurzel, adviseur bij het Amerikaanse ministerie van Energie, zegt dat het overschrijden van dit criterium een cruciaal bewijs vormt voor kernfusie, en een resultaat dat waarschijnlijk het onderzoek en de ontwikkeling in de fusiewetenschap zal versnellen voor zowel nationale veiligheid- als energietoepassingen.

Het criterium van Lawson, dat in 1955 door de natuurkundige John Lawson werd geformuleerd, houdt rekening met variabelen zoals de dichtheid van een plasma, en hoe lang het plasma moet worden opgesloten om een aanhoudende reactie tot stand te brengen. ‘Je krijgt wat een propagerende verbranding wordt genoemd: fusie veroorzaakt meer fusie, die weer meer fusie veroorzaakt, die weer meer fusie veroorzaakt’, legt theoretisch natuurkundige Steven Cowley van de Princeton-universiteit uit.

Energieopbrengst

In de analyse werden de experimentele gegevens getoetst aan negen verschillende versies van Lawsons criterium, die elk voorschrijven hoe verschillende reeksen metingen zich tijdens de ontsteking tot elkaar moeten verhouden. Ontsteking werd bereikt volgens al deze versies, waarbij de natuurlijke neiging van een reactie om af te koelen en te stoppen werd overwonnen. Als de reactie zichzelf niet op deze manier had verhit, zou de energieopbrengst veel kleiner zijn geweest, aldus Cowley.

Sinds augustus 2021 hebben NIF-onderzoekers vier soortgelijke experimenten uitgevoerd, die energieopbrengsten opleverden tot twee derde van de recordwaarde, maar geen ontsteking bereikten, zegt Kritcher. Volgens haar is het experiment zeer gevoelig voor kleine veranderingen, zoals nauwelijks waarneembare verschillen in de materiaalstructuur van elke waterstofcapsule, of kleine variaties in de intensiteit van de lasers.

‘Als je begint met een microscopisch slechter beginpunt, komt dat tot uiting in een veel groter verschil in de uiteindelijke energieopbrengst’, zegt plasmafysicus Jeremy Chittenden van het Imperial College London, die aan de analyse werkte. ‘Het experiment van 8 augustus was het beste scenario.’

Chiazaadje

Kritcher zegt dat zij en collega’s het afgelopen jaar ’veel diagnostisch en wetenschappelijk graafwerk’ hebben verricht, om te ontdekken wat nu precies tot de ontsteking heeft geleid. Zij stelden vast dat zelfs de afmetingen van het piepkleine buisje waarmee de capsule met waterstof wordt gevuld (die zelf kleiner is dan een chiazaadje) een groot verschil maakt. En dat geldt ook voor de manier waarop waterstofatomen zich binnenin de capsule rangschikken. Kritcher zegt dat het NIF-team deze kennis niet alleen wil gebruiken om die omstandigheden te repliceren, maar ook om het experiment beter bestand te maken tegen kleine afwijkingen, zodat het keer op keer op betrouwbare wijze tot ontbranding kan komen.

‘Je wilt niet in een positie verkeren waarin je alles helemaal precies goed moet hebben om tot ontbranding te komen’, zegt Chittenden. Betrouwbare en herhaalde ontsteking bij NIF is belangrijk, maar er is nog een horde te nemen voordat op kernfusie gebaseerde energiecentrales een realistische mogelijkheid worden. De hoeveelheid energie die na de ontsteking wordt geproduceerd, moet namelijk groter zijn dan de hoeveelheid energie die de lasers erin stoppen. Met het experiment van 8 augustus is dat voor ongeveer 72 procent gelukt.

Dat zou het gebruik van fusie voor schone energiecentrales in de toekomst haalbaarder maken, maar die toekomst kan nog vele jaren ver weg zijn. Voor commerciële energieproductie zou de fusiereactie zelfs meer dan honderd keer meer energie moeten produceren dan erin gaat om ontsteking te bereiken, zegt Cowley.