Fusie ontsteken

Het is eind april en arbeiders assembleren de laatste delen van de National Ignition Facility (NIF), een uitgestrekt gebouw dat de oppervlakte van drie voetbalvelden beslaat in het Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, CA. Gehuld in veiligheidshelmen, haarnetjes, laboratoriumjassen en latexhandschoenen, hebben ze zich verzameld in de doelkamer, een bol met een diameter van 10 meter en bezaaid met 48 kanalen van gepolijst aluminium die samen 192 afzonderlijke laserstralen huisvesten. Elke straal op zich is een van de krachtigste ter wereld, zegt Bruno Van Wonterghem, operations manager bij NIF. Samen leveren ze 50 tot 60 keer de energie van elke andere laser.

De arbeiders bereiden zich voor om een ​​belangrijk onderdeel van de uitrusting te installeren - de sensor voor het uitlijnen van het doel - aan het einde van een taps toelopende giek die kan worden verlengd tot in het midden van de kamer. Wetenschappers zullen de sensor gebruiken om een ​​gouden bus ter grootte van een potloodwisser in het midden van de bol te plaatsen en deze uit te lijnen met de laserstralen. In een reeks experimenten in de komende maanden, als alles volgens plan verloopt, zullen die lasers de gouden bus raken met een puls van 3 tot 20 nanoseconden lang, waardoor een bad van hoogenergetische röntgenstralen wordt gegenereerd. Deze zullen op hun beurt een bolletje van twee millimeter met waterstofisotopen doen imploderen. Al die kinetische energie wordt omgezet in warmte, zegt Van Wonterghem. De waterstofpellet zal een temperatuur bereiken van 100 miljoen °C en een dichtheid die 100 keer groter is dan die van lood, genoeg om een ​​fusiereactie te starten.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2009

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Fusie, waarbij atoomkernen samensmelten om atomen van een nieuw element te vormen, is de belangrijkste reactie die atoombommen en de zon van brandstof voorziet. (In de NIF-experimenten combineren waterstofisotopen om heliumkernen te vormen terwijl ze neutronen en röntgenstralen vrijgeven.) Het is ook lang opgehouden als een potentiële bron van overvloedige energie, als de reacties maar in een gecontroleerde omgeving konden worden benut. Dat is een uitdaging, want een plasma dat heet genoeg is om waterstofkernen erin te laten samensmelten, is zo heet dat het elk insluitingsmateriaal zou vernietigen. Wetenschappers hebben twee algemene oplossingen bedacht. De eerste en meest gangbare is om het plasma op te sluiten in een krachtig elektromagnetisch veld. Dat is wat er zou moeten gebeuren bij het multinationale ITER-project van 14 miljard dollar in Frankrijk, dat naar verwachting in 2018 operationeel zal zijn.

NIF pakt het fundamenteel anders aan. Door lasers te gebruiken om de waterstofbrandstof te comprimeren, zal het de extreme hitte en dichtheid in een ster nabootsen. De resulterende fusiereactie wordt niet gecontroleerd door deze elektromagnetisch te beperken, maar door de hoeveelheid brandstof te beperken. NIF zal een minuscule thermonucleaire explosie produceren, zo klein dat het kan worden bestudeerd in een kamer van 10 meter. In feite is de primaire missie van NIF om licht te werpen op fysica met hoge temperaturen en hoge dichtheid, inclusief de reacties in kernwapens, door omstandigheden in sterren en bommen te herscheppen.

Multimedia

• Krijg een rondleiding achter de schermen van NIF.

Onderzoekers debatteren over welke aanpak het meest geschikt is voor het opwekken van elektriciteit; tot nu toe is het te vroeg om zeker te zijn. Maar het ziet er naar uit dat NIF de eerste faciliteit zal zijn die een belangrijke mijlpaal zal bereiken in de zoektocht naar op laser gebaseerde fusiekracht: de ontsteking van een zichzelf in stand houdende reactie die meer energie produceert dan door de laser werd ingebracht. Eerdere experimenten en computersimulaties suggereren dat de 192 lasers bij NIF krachtig en nauwkeurig genoeg zijn om zo'n kettingreactie op gang te brengen - een die zal blijven branden totdat de waterstofbrandstof opraakt.

Er moeten nog enorme uitdagingen worden aangegaan voordat fusie kan worden aangewend om elektriciteit op te wekken. Maar het bereiken van gecontroleerde fusieverbranding zal een ongelooflijke gebeurtenis zijn, zegt Edward Moses, een van de belangrijkste associate director bij Livermore die de leiding heeft over NIF. We denken dat we naar een nieuw tijdperk gaan.

Lasers afvuren
Het aansteken van fusie zal niet eenvoudig zijn. Het vereist een faciliteit die enorme hoeveelheden kracht kan bundelen, maar het zo nauwkeurig kan besturen dat het kan worden gericht op doelen gemeten in micrometers. Dat, zegt Ian Hutchinson, hoogleraar nucleaire wetenschap en techniek aan het MIT, zal een ongelooflijk indrukwekkende technologische prestatie zijn.

Op dezelfde middag, toen technici werkten om de sensor voor het uitlijnen van doelen te installeren, begonnen anderen zich te verzamelen in de controlekamer van de faciliteit, met zijn grote schermen en clusters van werkstations. Ze bereiden zich voor op een testopname van de laser, minus de fusiepellet; als veiligheidsmaatregel is het gepland voor de nacht, nadat de laserbaaien en de doelkamer van de faciliteit zijn vrijgemaakt van arbeiders.

Het afvuren van de laser vereist het instellen van 60.000 verschillende controlepunten. De opeenvolging van gebeurtenissen die de laserpuls aan het doelwit levert, is te complex voor menselijke controle, zegt Van Wonterghem, dus nadat de instellingen zijn geselecteerd, zal een netwerk van 1.500 computers het overnemen en het laatste aftellen uitvoeren, met de handen van de onderzoekers zweefde in de buurt van de vele noodstopknoppen die in de kamer waren aangebracht.

Als het allemaal werkt, zullen de lasers een puls afgeven die 500 keer groter is dan het maximale elektriciteitsopwekkingsvermogen van de Verenigde Staten. De puls zal de thermonucleaire explosie doen ontbranden, waardoor in wezen een kleine ster ontstaat.

Opstarten
Er zullen nog aanzienlijke hindernissen moeten bestaan ​​voordat een dergelijk proces kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. De fusiereacties zullen naar verwachting 10 tot 20 keer de hoeveelheid energie produceren die door de lasers wordt geleverd. Maar dit houdt geen rekening met de energie die nodig is om de lasers te maken: elektriciteit omzetten in laserlicht is een inefficiënt proces. Om de verspilde energie in te halen en genoeg extra te produceren om elektriciteit op te wekken, zouden fusiereacties nodig zijn die ongeveer 100 keer de energie genereren die door de lasers wordt geleverd.

In een rommelig kantoor in de buurt van NIF zegt Moses dat er op zijn minst twee mogelijke manieren zijn om dit probleem te omzeilen. Je moet twee laserpulsen combineren in een proces dat snelle ontsteking wordt genoemd. In theorie zou dit de hoeveelheid laserenergie kunnen verminderen die nodig is om een ​​aanhoudende reactie te ontsteken. NIF is hier momenteel echter niet op ingesteld; het is een benadering die zal worden gevolgd door andere laserfusieprojecten die nu in aanbouw zijn, en uiteindelijk ook door NIF.

De andere benadering, zegt Moses, is om fusie te combineren met splijting, de reactie die wordt gebruikt in conventionele kerncentrales. Deze optie biedt niet hetzelfde vooruitzicht op bijna onbeperkte energie als fusie alleen, maar het zou de hoeveelheid energie die uit uranium kan worden gewonnen enorm kunnen vergroten, waardoor deze toch al overvloedige brandstofbron aanzienlijk wordt vergroot. Tegelijkertijd zou het het belangrijkste bezwaar tegen kernsplijting kunnen wegnemen door bijna al het langlevende radioactieve afval dat het normaal gesproken produceert, te elimineren. Op dit moment krijgen we maar een half procent tot 1 procent van de beschikbare energie, zegt Moses. We kunnen 99-plus krijgen.

De onderzoekers van NIF hebben een gedetailleerd conceptueel plan ontwikkeld om fusie en kernsplijting te koppelen. De reden dat kernreactoren slechts een fractie van de energie in uranium gebruiken, is dat als reactieproducten zich ophopen, ze uiteindelijk interfereren met de kettingreacties die nodig zijn om stroom te blijven opwekken. Fusie kan een stroom neutronen leveren die deze reacties gaande kunnen houden, waarbij bijna alle energie in de brandstof wordt verbruikt.

Zeker, niet iedereen is het erover eens dat op laser gebaseerde fusiekracht zal werken. En sommige sceptici betwijfelen of met name NIF zelfvoorzienende fusie kan bereiken, door te zeggen dat de faciliteit geen laserpulsen met voldoende hoge energie kan produceren zonder de laseroptiek te beschadigen of de scherpe focus op het doel te verliezen dat nodig is om de brandstof gelijkmatig te comprimeren. Zelfs als de faciliteit duurzame fusie bereikt, zou voor de productie van elektriciteit in een energiecentrale lasers nodig zijn die 10 tot 15 keer per seconde een nieuwe brandstofpellet zouden kunnen ontsteken. De NIF-lasers, die tussen de schoten door moeten worden afgekoeld, kunnen maximaal eens in de twee tot vier uur worden afgevuurd. Zelfs als NIF zo succesvol is als gehoopt, zullen ze nog lang niet in staat zijn om dit om te zetten in een praktische energiebron, zegt Hutchinson.

NIF heeft al enkele tekenen van succes gezien. Eerder dit jaar werden alle 192 lasers tegelijk afgevuurd en bereikten ze een energieniveau dat voldoende is om fusie te laten ontbranden. Toch moesten eerdere laserprojecten bij Livermore fusie-ontsteking bereiken en dat deden ze niet. Hoewel er sindsdien veel is geleerd, is er geen garantie dat het deze keer zal werken. Het goede nieuws is dat het niet lang meer duurt voordat de onderzoekers het weten: na een reeks testshots hopen ze binnen twee jaar op succes. We kijken uit naar enkele resultaten, zegt Hutchinson.

zich verstoppen