Energieproductie met een super-laser voor kernfusie

De laser werd in 1960 uitgevonden door twee natuurkundigen, Charles Townes en Arthur L. Schawlow van Bell Labs. Laser is een acroniem voor 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation'. Kort na de eerste demonstratie van de laser kwamen een aantal wetenschappers van Lawrence Livermore National laboratory tot het inzicht dat een laser gebruikt kan worden aan kernfusie te doen. Kernfusie, is de tegenhanger van kernsplijting, want hier gaat het om het samensmelten van de kernen van verschillende atomen, waarbij een ander, zwaarder element gevormd wordt. Wanneer de atomen van lichte elementen zoals waterstof samensmelten, wordt hierbij iets van de massa in energie omgezet. Bijvoorbeeld bij kernfusie van twee waterstof-atomen wordt er 0,67% van hun massa omgezet in energie en worden er helium-atomen gevormd. Deze hoeveelheid energie is wel gigantische groot. Er zijn wel een aantal verschil tussen kernsplijting en kernfusie, namelijk als eerste is het zo dat er bij kernfusie geen kettingreactie optreedt in tegenstelling tot kernsplijting. Namelijk bij kernsplijting komen er bij elke reactie telkens deeltjes vrijkomen die opnieuw kernsplijting gaan veroorzaken bij andere atoomkernen. Daarin tegen kan kernfusie slechts aan de gang gehouden worden onder extreem hoge temperatuur en druk. En ander verschil tussen kernfusie en kernsplijting is dat er na het proces geen radioactieve stoffen overblijven. Daarom is kernfusie een zeer interessant proces om te gaan gebruiken voor energieproductie en proberen wetenschappers al decennia lang kernfusie op aarde te ontwikkelen als schone en veilige energiebron.


De brandstof voor kernfusie zijn speciale isotopen van waterstof, namelijk deuterium en tritium. Deze methode om aan kernfusie te doen heet inertial confinement fusion (ICF) of traagheidsopsluiting. Een groep wetenschappers van het onderzoekscentrum, National Ignition Facility (NIF) hebben besloten om een laser te ontwikkelen die temperaturen miljoenen graden kelvin en drukken van miljarden keer de atmosfeer druk te gaan produceren, nodig bij het kernfusie-proces. Om het proces in gang te zetten moeten de brandstoffen eerst 'ontstoken' worden. Dit kan enkel gedaan worden bij temperaturen van miljoen graden kelvin en bij gigantische grote drukken. Eén maal de brandstof is ontstoken, dan is de energie die vrijkomt tijdens de kernfusie-reactie groter dan de energie die nodig is om deze hoge temperatuur en druk te verkrijgen en te behouden. Hoe men deze condities kan verkrijgen is tot op de dag van vandaag nog steeds één van de grootste uitdagingen voor de wetenschap en de techniek.

Kernfusie zou een ideale energiebron zijn maar tot nu toe heeft men nog steeds geen oplossing om het proces van kernfusie te beheersen. Namelijk kernfusie is de hoeveelheid energie en dus warmte die vrijkomt gigantisch groot. Zo groot dat er geen enkel materiaal bestaat die tegen deze warmte bestand is. Maar de brandstof moet eerst opgewarmd worden tot die zeer hoge temperaturen vooraleer men ze kan ontsteken. Maar niet alleen moet de temperatuur zeer groot zijn maar ook de druk. Aangezien een gas bij een hoge temperatuur, een groter volume gaan innemen kan men deze grote drukken verkrijgen door de gasvormige brandstoffen samen te houden in een ingesloten volume. Door de gasvormige brandstoffen niet kunnen uitzetten wanneer men deze opwarmt, gaat de druk oplopen. Maar geen enkel materiaal is hittebestendig genoeg om de gasvormige brandstoffen samen te houden in een ingesloten volume. Dus moest men een andere oplossing bedenken. Uiteindelijk kwam men op twee verschillende oplossingen, de eerste is om gebruik te maken van een magnetisch veld om de gasvormige brandstof samen te houden. Wanneer het deuterium of tritium zo sterk worden verhit, dan worden de elektronen losgelaten van hun de atoomkernen. Hierdoor verkrijgt men allemaal geladen deeltjes. En door deze elektrische lading kan men al deze deeltjes samenhouden met een magnetisch veld. Deze methode wordt ook magnetische opsluiting genoemd. Maar indien er gebruik gemaakt wordt van lasers, wordt er een tweede methode gebruikt namelijk die van traagheidopsluiting of inertial confinement fusion (ICF).

Het proces dat gebruik maakt van traagheidsopsluiting verloopt als volgt. Bij ICF worden er meerdere laserstralen op een kleine bolvormige korrel die enkele microgram deuterium en tritium bevat gericht. Dit zorgt dat deze korrel heel snel wordt opgewarmd, zal op een gegeven moment het buitenste omhulsel van de korrel gaan exploderen. En door de derde wet van Newton, namelijk voor elke actie treedt er ook een reactie op. Wel, hier is deze reactie dat door de explosie het binnenste gedeelte van de korrel gaat imploderen. Deze implosie zorgt dat de brandstof die zich in het binnenste van de korrel bevindt, heel sterk gecomprimeerd wordt. Dus door deze druk golf, wordt de brandstof op een zeer hoge druk gebracht terwijl de laserstralen er nog steeds voor zorgen dat het opgewarmd wordt. En zo gaat de brandstof dan gaan ontsteken en vindt de kernfusie-reactie plaatst. De brandstof die zich in de centrum van de korrel bevindt zal het eerst gaan ontsteken en daarna pas de brandstof die zich meer naar de buitenkant toe bevindt. Wanneer de brandstof de kernfusie-reactie ondergaat, dan gaan de reactieproducten gaan expanderen en dus een groter volume gaan innemen. Maar de brandstof wordt veel sneller ontstoken dan dat de expansie plaatst kan vinden, dit komt door de traagheid van de reactieproducten. Daarom heet dit proces dan ook traagheidsopsluiting. Maar door de opsluiting van de reactieproducten wordt de apparatuur op een veilige afstand gehouden worden van deze hoge temperaturen.

In het laboratorium van het National Ignition Facility staat 's werelds meest krachtigste lasers die speciaal gebouwd is voor kernfusie aan de hand van traagheidsopsluiting. Met deze laser voert men dus experimenten uit om te onderzoeken hoe men deze manier van kernfusie kan gebruiken om energie te gaan opwekken. Bij een recentste experiment, op 28 september 2010, was het de eerste keer dat men de 192 afzonderlijke laserstralen van hun laser op een vaste capsule richtte. Binnenin de capsule bevond zich deuterium, tritium en waterstof. Met verschillende meetapparatuur werd het doelwit nauwkeurig in de gaten gehouden om te registeren wat er gebeurt wanneer de laserstralen de buitenkant doen ontploffen. Tijdens dit experiment gaan de laserstralen korte pulsen gaan uitstralen op de capsule. Althans dit was de bedoeling van het experiment maar uiteindelijk werden het deuterium, tritium en het waterstof toch uit de capsule gelaten en waren de pulsen niet krachtig genoeg om de brandstof te ontsteken. Dit werd gedaan omdat men bezorgd was dat de optische componenten die nodig zijn om al de laserstralen te focussen op de capsule zouden beschadigd worden. Eerst en vooral gebruikte men een lege capsule omdat er anders door de fusie-reactie heel veel warmte ontstaat. Deze warmte zou er voor kunnen zorgen dat de apparatuur van de laser beschadigd zou geraken. Daarnaast waren de laserpulsen ook niet krachtig genoeg voor de ontsteking van de brandstoffen aangezien dit zorgt dat de optische componenten gaan opwarmen. En aangezien er toch geen brandstof aanwezig was in de capsule was dit hier nu ook niet nodig.

Maar toch werd tijdens dit experiment de mogelijkheden van de laser en de installatie aangetoond. De laser leverde in totaal zo'n 1 megajoule aan energie aan de capsule. Dit is heel wat hoger dan de 0,7 megajoule die men behaalde tijdens het vorige experiment die men uitvoerde in 2009. Maar zelfs de 1 megajoule is nog niet voldoende om de brandstof te ontsteken. Hiervoor is er namelijk tussen de 1,4 à 1,5 megajoule nodig. Aangezien men er in slaagde om tot 1 megajoule aan energie te leveren aan de capsule kan er dus gezegd worden dat men al dichtbij is om fusie te laten optreden. Door de bezorgdheid om de optische componenten van de lasers, zal men bij het NIF er niet voor 2012 in slagen om kernfusie te laten optreden met hun laser. Doordat bij deze laser er gigantisch grote energie wordt afgeleverd, zorgt dit er ook voor dat de optische componenten van de laser ook sterk gaan opwarmen. Wanneer deze optische componenten te warm worden, dan gaan deze stuk. De optische componenten is al steeds een obstakel geweest voor de ontwikkeling van de lasers voor kernfusie. Voor het laatste experiment heeft men alle optische componenten vervangen door nieuwe die beter met deze laserstralen met hoge energie-inhoud om kunnen gaan. Maar het blijft nu ook de vraag of dat deze ook de laserstralen voor de ontsteking gaan aan kunnen.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [nature]