211service.com
'S Werelds grootste laser wordt ingeschakeld
Het meest energetische lasersysteem ter wereld, ontworpen om kernfusie te produceren - dezelfde reactie die de zon aandrijft - is in gebruik. Binnen twee tot drie jaar verwachten wetenschappers fusiereacties te creëren waarbij meer energie vrijkomt dan nodig is om ze te produceren. Als ze succesvol zijn, zal het de eerste keer zijn dat dit op een gecontroleerde manier is gedaan - in een laboratorium in plaats van een atoombom, dat wil zeggen - en uiteindelijk zou kunnen leiden tot fusie-energiecentrales.
Fusie centraal: 192 lasers schieten door openingen in deze bolvormige kamer, gericht op de punt van de kegel die van rechts uitsteekt. Links is een werknemer in een servicemodule te zien.
De Nationale ontstekingsinstallatie (NIF), van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) van het Amerikaanse Department of Energy, bestaat uit 192 lasers die tegelijkertijd op precies hetzelfde punt in de ruimte vuren: een brandstofbol met een diameter van twee millimeter. Ze zijn ontworpen om in een paar miljardsten van een seconde 1,8 megajoule energie te leveren. Dat is genoeg om de brandstof samen te persen tot een stipje van 50 micrometer breed en te verwarmen tot drie miljoen graden Celsius. De lasers, die vorige maand voor het eerst samen werden afgevuurd, hebben tot nu toe pulsen van 1,1 megajoule geproduceerd.
Afhankelijk van hoe je het meet, is het tussen de 60 en 100 keer energieker dan welk lasersysteem dan ook dat ooit is gebouwd, zegt Edward Moses , de principal associate director voor NIF en Photon Science bij LLNL. Uiteindelijk wordt verwacht dat de fusiereacties die door elke puls worden geproduceerd, ten minste 10 keer de energie zullen genereren die door de lasers wordt geleverd, een aanzienlijke nettowinst die nuttig zou kunnen zijn voor het genereren van stroom.
De faciliteit van $ 3,5 miljard, die al 15 jaar in ontwikkeling is, werd voornamelijk gefinancierd als een manier om kernwapens beter te begrijpen, na een verbod op testen in de jaren negentig. NIF zal minuscule thermonucleaire explosies produceren die wetenschappers inzicht geven in wat er gebeurt als een atoombom afgaat. Die gegevens kunnen op hun beurt worden gebruikt om computersimulaties te verifiëren die helpen bepalen of de nucleaire voorraad van de Verenigde Staten zal blijven werken naarmate de wapens ouder worden. De gegevens kunnen ook inzicht geven in de processen die de zon en andere sterren aandrijven, en andere wetenschappelijke vragen beantwoorden. Ten slotte zou NIF kunnen dienen als proof-of-concept-ontwerp voor een fusiecentrale.
Om fusie te genereren, worden 192 laserstralen gegenereerd, versterkt, omgezet van infrarood naar ultraviolet licht en vervolgens gericht op een kleine gouden bus ter grootte van een potloodwisser. In die bus zit een bol met de brandstof: twee isotopen van waterstof, deuterium en tritium genaamd. De lasers zijn rondom de bol geplaatst om de temperaturen en drukken te creëren die nodig zijn om een fusiereactie te ontsteken. Als alles volgens plan verloopt, zouden sommige waterstofatomen moeten samensmelten, waarbij helium wordt geproduceerd en energie vrijkomt. Dit zou op zijn beurt meer fusiereacties moeten veroorzaken totdat de brandstof opraakt. Het hele proces duurt slechts een paar miljardsten van een seconde.
Innovatief glas: Het glas dat nodig is voor de versterkers van de laser is gemaakt met technieken die speciaal zijn ontwikkeld voor de National Ignition Facility. Hier zijn voorbeelden van gesmolten en ruw gesneden neodymium-gedoteerd fosfaatglas.
Onderzoekers hebben eerder fusie in het laboratorium gecreëerd, maar hun experimenten vereisten meer energie dan ze produceerden. Een systeem bij Sandia National Laboratories van het Department of Energy, de Z-machine genaamd, gebruikt bijvoorbeeld elektriciteit in plaats van lasers om waterstofisotopen te comprimeren en fusie te produceren. Er zou een aanzienlijk grotere versie van de Z-machine nodig zijn om meer energie op te wekken dan hij verbruikt. Moses zegt dat de NIF in slechts twee tot drie jaar fusiewinst zou kunnen bereiken, ruim voor het bekendere ITER-fusieproject in Cadarache, Frankrijk, dat waarschijnlijk pas in 2018 operationeel zal zijn. Dit is al lange tijd een grote uitdaging , dus overmoed is het ergste wat er is, zegt Moses. Maar we denken dat we onze weg er doorheen zien te vinden. Als we in 2010 of 2011 een [fusie]brand krijgen, bevinden we ons op een zeer opwindende plek. Ik denk dat de wereld wakker zal worden van de mogelijkheden.
Mozes doelt vooral op de mogelijkheden die een fusiecentrale biedt. Fusie vormt geen gevaar voor nucleaire proliferatie, produceert weinig afval en maakt gebruik van overvloedige bronnen van brandstof, dus het zou gedurende vele duizenden jaren voldoende schone energie kunnen leveren. Sommigen zeggen dat de brandstof - waterstof - vrijwel onbeperkt is, hoewel de voorgestelde reactoren tritium zullen gebruiken, een waterstofisotoop gemaakt van lithium, dat schaarser is.
De huidige faciliteit is niet gebouwd om elektriciteit op te wekken. Maar Moses zegt dat met de juiste financiering een energiecentrale die fusie gebruikt van een systeem zoals dat van NIF, over tien jaar zou kunnen draaien. Daarentegen zijn energiecentrales op basis van de Z-machine in Sandia of het ITER-systeem in Frankrijk tientallen jaren verwijderd.
Andere experts zijn echter sceptischer. Als NIF succesvol is, zullen ze nog een lange weg afleggen om dit in een praktische energiebron te veranderen, zegt Ian Hutchinson , professor en hoofd nucleaire wetenschap en techniek aan het MIT. Hij zegt bijvoorbeeld dat een energiecentrale de lasers veel vaker zou laten afvuren dan de NIF-lasers – 5 tot 10 keer per seconde, in plaats van eens in de paar dagen, zoals nu mogelijk is. (Elke uitbarsting zou energie vrijgeven die overeenkomt met ongeveer vijf kilowattuur elektriciteit: ter vergelijking: een gemiddelde kerncentrale genereert 12,4 miljard kilowattuur per jaar, terwijl een gemiddeld huis ongeveer 1.000 kilowattuur per maand nodig heeft.)
Daarentegen zal ITER magnetische opsluiting van heet plasma gebruiken om fusie te produceren, een systeem dat een continue stroom energie produceert die meer geschikt zou kunnen zijn voor het opwekken van elektriciteit dan de zeer korte uitbarstingen van energie die door NIF worden geproduceerd, zegt hij.
Of het nu wel of niet leidt tot fusiecentrales, NIF is significant, zegt Stewart Prager , de directeur van het Plasma Physics Laboratory van het Department of Energy aan de Princeton University. De wetenschap die het mogelijk zal maken, kan nergens anders worden gedaan, zegt hij.