In de doelkamer van de National Ignition Facility, worden 192 laserstralen gericht op pellets van fusiebrandstof ter grootte van peperkorrels.
Lawrence Livermore National Laboratory
In oktober 2010 hebben onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory in een gebouw ter grootte van drie Amerikaanse voetbalvelden 192 laserstralen opgestookt, hun energie gebundeld tot een puls met de stoot van een snel rijdende vrachtwagen, en die afgevuurd op een pellet van kernbrandstof ter grootte van een peperkorrel. Zo begon een campagne van de National Ignition Facility (NIF) om het doel te bereiken waarnaar het is vernoemd: het ontsteken van een fusiereactie die meer energie produceert dan de laser inbrengt.
Een decennium en bijna 3000 schoten later genereert NIF nog steeds meer geknetter dan geknal, gehinderd door het complexe, slecht begrepen gedrag van de laserdoelwitten wanneer ze verdampen en imploderen. Maar met nieuwe doelwitontwerpen en laserpulsvormen, samen met betere hulpmiddelen om de mini-explosies te monitoren, denken NIF-onderzoekers dat ze dicht bij een belangrijke tussenmijlpaal zijn die bekend staat als “brandend plasma”: een fusieverbranding die in stand wordt gehouden door de hitte van de reactie zelf in plaats van de input van laserenergie.
Zelfopwarming is de sleutel tot het opbranden van alle brandstof en het krijgen van runaway-energiewinst. Zodra NIF de drempel bereikt, suggereren simulaties dat het een gemakkelijkere weg naar ontsteking zal hebben, zegt Mark Herrmann, die Livermore’s fusieprogramma overziet. “We doen ons uiterste best,” zegt hij. “Je voelt de versnelling in ons begrip.” Buitenstaanders zijn ook onder de indruk. “Je voelt dat er gestage vooruitgang is en minder giswerk,” zegt Steven Rose, co-directeur van het Centre for Inertial Fusion Studies aan het Imperial College in Londen. “Ze stappen af van de traditionele ontwerpen en proberen nieuwe dingen.”
NIF kan echter niet de luxe van tijd hebben. Het aandeel van NIF-opnamen gewijd aan de ontstekingsinspanning is teruggebracht van een hoogtepunt van bijna 60% in 2012 tot minder dan 30% vandaag om meer opnamen te reserveren voor stockpile stewardship-experimenten die nucleaire detonaties simuleren om de betrouwbaarheid van kernkoppen te helpen verifiëren. In de afgelopen jaren is in presidentiële begrotingsverzoeken herhaaldelijk getracht het onderzoek naar traagheidsopsluitingsfusie bij NIF en elders terug te schroeven, maar het Congres heeft dat toen laten gebeuren. De financier van NIF, de National Nuclear Security Administration (NNSA), evalueert de voortgang van de machine voor het eerst in vijf jaar. Onder druk om het nucleaire arsenaal te moderniseren, zou het agentschap kunnen besluiten tot een verdere verschuiving in de richting van stockpile stewardship. “Zal het ontstekingsprogramma worden weggedrukt?” vraagt Mike Dunne, die Livermore’s fusie-energie inspanningen van 2010 tot 2014 leidde. “De jury is er uit.”
Fusie is lang voorgehouden als een koolstofvrije energiebron, die wordt gevoed door gemakkelijk verkrijgbare isotopen van waterstof en geen langlevend radioactief afval produceert. Maar het blijft een verre droom, zelfs voor de langzaam brandende, donutvormige magnetische ovens zoals het ITER-project in Frankrijk, dat streeft naar energiewinst ergens na 2035.
NIF en andere inertiële fusie-apparaten zouden minder op een oven lijken en meer op een interne verbrandingsmotor, waarbij energie wordt geproduceerd door middel van snelvuurexplosies van de minuscule brandstofpellets. Terwijl sommige fusielasers hun stralen recht op de pellets richten, zijn de schoten van NIF indirect: de stralen verhitten een gouden bus ter grootte van een potloodgum, een hohlraum genaamd, dat een puls van röntgenstralen uitzendt die bedoeld is om fusie te ontsteken door de brandstofcapsule in het midden tot tientallen miljoenen graden te verhitten en tot miljarden atmosferen samen te persen.
Maar de opnamen in de eerste drie jaar van de ontstekingscampagne leverden elk slechts ongeveer 1 kilojoule (kJ) energie op, minder dan de 21 kJ die door de röntgenstralingspuls in de capsule werd gepompt en veel minder dan de 1,8 megajoule (MJ) in de oorspronkelijke laserpuls. Siegfried Glenzer, die de eerste campagne leidde, zegt dat het team “te ambitieus” was over het bereiken van ontsteking. “We vertrouwden te veel op simulaties”, zegt Glenzer, die nu bij het SLAC National Accelerator Laboratory werkt.
Na de mislukte ontstekingscampagne hebben de NIF-onderzoekers hun diagnostische instrumenten opgevoerd. Ze voegden meer neutronendetectoren toe, zodat ze een 3D-beeld kregen van waar de fusiereacties plaatsvonden. Ook pasten zij vier van hun laserbundels aan om krachtige, ultrakorte pulsen te produceren vlak na de implosie, om dunne draden dicht bij het doelwit te laten verdampen. De draden fungeren als een röntgenflitslamp die de samengeperste brandstof kan onderzoeken. “Het is net een CAT-scan,” zegt planeetwetenschapper Raymond Jeanloz van de universiteit van Californië, Berkeley, die NIF gebruikt om de druk in de kern van reuzenplaneten zoals Jupiter na te bootsen. (Ongeveer 10% van de opnamen van NIF zijn gewijd aan fundamentele wetenschap.)
Met hun scherpere visie hebben onderzoekers energielekken van de imploderende brandstofkorrel opgespoord. Eén kwam op het punt waar een piepklein buisje brandstof in de capsule injecteerde voor het schot. Om het lek te dichten, maakte het team het buisje nog dunner. Andere lekken waren terug te voeren op het plastic omhulsel van de capsule, zodat de onderzoekers de productie hebben aangepast om onvolkomenheden van slechts een miljoenste meter glad te strijken. De verbeterde diagnostiek “helpt de wetenschappers echt om te begrijpen welke verbeteringen nodig zijn”, zegt Mingsheng Wei van het Laboratory for Laser Energetics van de Universiteit van Rochester.
Fire by trial
De National Ignition Facility is dichter bij fusieontsteking gekomen – meer energie eruit halen dan erin gaat – door de laserpulsen en -doelen aan te passen. Het is zelfs dichter bij de temperaturen en drukken die nodig zijn voor een tussentijds doel: een zichzelf verhittend “brandend plasma.”
Het team heeft ook gespeeld met de vorm van de 20-nanoseconde laserpulsen. De eerste pulsen stegen langzaam in kracht, om de brandstof niet te snel te verhitten en het moeilijker te comprimeren te maken. Latere pulsen stegen agressiever, zodat de plastic capsule minder tijd had om zich tijdens de compressie met de brandstof te mengen, een tactiek die de opbrengst enigszins verhoogde.
In de huidige campagne, die in 2017 begon, voeren onderzoekers de temperaturen op door de hohlraum en de capsule met maximaal 20% te vergroten, waardoor de röntgenenergie die de capsule kan absorberen, toeneemt. Om de druk op te voeren, verlengen ze de duur van de puls en schakelen ze over van plastic capsules naar dichtere diamanten capsules om de brandstof efficiënter te comprimeren.
NIF heeft herhaaldelijk opbrengsten van bijna 60 kJ bereikt. Maar Herrmann zegt dat een recent schot, dat eerder deze maand op de bijeenkomst van de American Physical Society’s Division of Plasma Physics werd besproken, dat heeft overtroffen. Er zijn herhalingsopnamen gepland om te peilen hoe dicht ze bij een brandend plasma zijn gekomen, wat volgens de voorspellingen rond 100 kJ zal gebeuren. “
Zelfs bij maximale compressie denken de NIF-onderzoekers dat alleen het centrum van de brandstof heet genoeg is om te fuseren. Maar een bemoedigende ontdekking is dat ze aanwijzingen zien dat de hete plek een verwarmingsboost krijgt van de krampachtig bewegende heliumkernen, of alfadeeltjes, die door de fusiereacties worden gecreëerd. Als NIF er net iets meer energie in kan pompen, zou dat een golf moeten aanwakkeren die vanuit de hot spot naar buiten raast en daarbij brandstof verbrandt.
Herrmann zegt dat het team nog een paar trucjes moet uitproberen – elk van die trucjes kan de temperatuur en druk opdrijven tot een niveau dat hoog genoeg is om brandend plasma en ontsteking in stand te houden. Ze testen verschillende vormen van de hohlraum om de energie beter op de capsule te richten. Ze experimenteren met dubbelwandige capsules die röntgenenergie efficiënter zouden kunnen opvangen en overbrengen. En door de brandstof in een schuim binnen de capsule te drenken, in plaats van het als ijs aan de capsulewanden te bevriezen, hopen ze een betere centrale hot spot te vormen.
Zal dat genoeg zijn om ontsteking te bereiken? Als deze stappen niet volstaan, zou het opvoeren van de laserenergie de volgende optie zijn. NIF-onderzoekers hebben upgrades getest op vier van de bundellijnen en zijn erin geslaagd een energiestoot te krijgen die, als de upgrades op alle bundels zouden worden toegepast, de volledige faciliteit in de buurt van 3 MJ zou brengen.
Die upgrades zouden natuurlijk tijd en geld kosten die NIF misschien uiteindelijk niet krijgt. Fusiewetenschappers bij NIF en elders wachten met spanning op de conclusies van het NNSA-onderzoek. “Hoe ver kunnen we komen?” vraagt Herrmann. “Ik ben een optimist. We zullen NIF zo ver mogelijk pushen.”