Een jaar geleden besefte de mensheid voor het eerst de netto energiewinst van een kernfusiereactie. Gedurende dit jaar is NIF voortdurend verbeterd en heeft het met succes nog drie ontstekingen gerealiseerd, waarmee verschillende records op rij zijn gebroken! Onlangs werd de hoofdwetenschapper van het project geselecteerd als een van Nature's Top 10 Mensen van het Jaar...
Een jaar geleden besefte de mensheid voor het eerst de netto energiewinst van een kernfusiereactie. In dit jaar bleef NIF zich verbeteren en realiseerde vervolgens met succes drie ontstekingen, waarmee verschillende records werden gebroken! Onlangs nog hoofdwetenschapper van het project, maar ook geselecteerd als een van de tien beste mensen van het jaar in Nature.
Op 14 december vorig jaar behaalde Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) voor het eerst succes met gecontroleerde kernfusie-ontsteking, zodat de hele mensheid de schone energie "Heilige Graal" kon afzetten -
Na het leveren van 2,05 megajoule (MJ) energie aan het doel, werd een fusie-energieopbrengst van 3,15 MJ geproduceerd met een energiewinst van ongeveer 1,5.
Op 30 juli 2023 behaalde het Laboratorium zijn allereerste outputenergie van 3,88 MJ, de hoogste ooit.
Op 30 oktober vestigde het laboratorium voor het eerst een nieuw record van - 2,2 megajoule aan inputenergie. Ondertussen stond de uitgangsenergie van 3,4 megajoule op de tweede plaats.
Ondanks de steeds opnieuw succesvolle ‘ontsteking’ publiceerde Nature ook enthousiast een artikel waarin stond: laserfusie staat op het punt een heel nieuw tijdperk binnen te gaan.
Het is denkbaar dat wanneer gecontroleerde kernfusie eindelijk wordt gerealiseerd, de mensheid voor het eerst in de geschiedenis de mogelijkheid zal hebben om enorme hoeveelheden koolstofvrije schone energie te verkrijgen, wat een revolutie teweegbrengt in de energieroutekaart voor de toekomst.
Met andere woorden: tegen die tijd zullen er geen broeikasgassen meer vrijkomen bij de verbranding van steenkool en olie, en geen gevaarlijk, langlevend radioactief afval meer – de mensheid zal toegang hebben tot ‘schone energie’ in de ware zin van het woord.
Dit betekent dat de energietekorten die de mensheid hebben geplaagd sinds we het elektrische tijdperk zijn binnengegaan, zullen verdwijnen. De mensheid kan zelfs ongekende technologische doorbraken realiseren in de stellaire energie die voortkomt uit gecontroleerde kernfusie.
Maar laten we eerst teruggaan naar de realiteit.
De echte moeilijkheid bij het zover krijgen dat de laser zulke enorme hoeveelheden energie levert, is hoe je de kostbare optiek van de NIF kunt beschermen tegen schade door puin.
NIF is het enige lasersysteem ter wereld dat boven de schadedrempel kan werken, en dat is gedeeltelijk te danken aan de optische herstelcyclus die in het laboratorium is ontwikkeld.
Verbeterde optiek
In juni 2023 voltooide NIF twee belangrijke verbeteringen die cruciaal waren voor het bereiken van de 2,2 megajoule aan inputenergie.
Deze omvatten het gebruik van afscherming van gesmolten silica-afval op tweederde van de NIF-bundellijnen en de installatie van metalen afscherming op 32 bundellijnen van het onderste halfrond.
Deze verbeteringen verminderden de schade veroorzaakt door puin met een factor 10 tot 100, afhankelijk van de bundellijn. De optica bij de onderste bundellijnen ontvingen als gevolg van de zwaartekracht het meeste vuil uit de doelkamer.
Andere verbeteringen zijn onder meer een nieuwe antireflectiecoating, een behandeling met damphexamethyldisiloxaan (HMDS) en een toename van de capaciteit van de optische recyclingcyclus. Evenals een nieuwe ‘grijze randblokker’ voor een probleem dat wetenschappers nog volledig moeten definiëren.
Meer dan alleen een toename van energie
Meer energie alleen is niet genoeg om de verbazingwekkende doorbraken die NIF in de wetenschap heeft geboekt in stand te houden
Laserpulsen duren slechts enkele miljardsten van een seconde, dus extreme precisie is vereist om de gewenste resultaten te bereiken.
Om dit doel te bereiken heeft het team onlangs de implementatie van een High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS)-systeem voltooid.
HiFiPS, een meerjarig project, maakt preciezere en nauwkeurigere pulsvorming mogelijk, wat op zijn beurt een betere machtsbalans en symmetriecontrole bij implosies mogelijk maakt.
Daarnaast heeft het team de optische vezels in de faciliteit gerenoveerd om ze toleranter te maken voor herhaalde blootstelling aan neutronen. Deze vezels worden gebruikt om de laserpuls die op het doel wordt afgeleverd nauwkeurig te meten.
Als direct gevolg van de renovatie werd de signaalsterkte met een factor 10 tot 100 vergroot en konden de onderzoekers de laserprestaties nauwkeurig blijven ‘observeren’.
Er is echter nog een lange weg te gaan van de huidige stand van de techniek naar het realiseren van de levering van fusie-energie aan het elektriciteitsnet.
Hoewel NIF tegenwoordig de grootste laser ter wereld heeft, is het systeem uiterst inefficiënt: meer dan 99% van de energie bij elke ontsteking gaat verloren voordat het zijn doel bereikt.
En het ontwikkelen van een efficiënter lasersysteem is een belangrijk doel van DOE's onlangs gelanceerde Inertial Fusion Research Program.
Het departement heeft onlangs aangekondigd dat het in vier jaar tijd 42 miljoen dollar zal investeren in de oprichting van drie nieuwe onderzoekscentra om samen te werken om deze en andere wetenschappelijke vooruitgang te bereiken.
Elk van deze centra zal nationale laboratoria, universitaire onderzoekers en industriële partners omvatten.
En een van de centrale figuren in het hele fusieprogramma, natuurkundige Annie Kritcher, is er ook in geslaagd om in de Nature Top 10 Science People of the Year te komen.
In 2022 bereikte Annie Kritcher bij de National Ignition Facility (NIF) een doel dat al tientallen jaren ongrijpbaar was in laboratoria over de hele wereld: atomen zo extreem samenpersen dat hun kernen fuseerden en meer energie produceerden dan de reactie zelf verbruikte.
Maar na het bereiken van deze experimentele mijlpaal (dwz de ontsteking) stond het team onder druk om de prestatie te herhalen.
Onderzoek waarbij veel op het spel staat, verloopt zelden soepel: het team voerde de eerste replicatie in juni uit, maar de resultaten waren slecht.
Gelukkig was de derde poging een succes.
Op 30 juli vuurde de 192-straallaser van de NIF 2,05 megajoule aan energie af op kleine bolletjes van de waterstofisotopen deuterium en tritium, bevroren opgehangen in een gouden cilinder.
De resulterende implosie zorgde ervoor dat de isotopen energie vrijgaven terwijl ze samensmolten tot helium en temperaturen produceerden die zes keer hoger waren dan die van de kern van de zon.
Uiteindelijk creëerden deze een recordbrekende 3,88 megajoule aan fusie-energie.
Kijkend over de hele wereld was geen enkel laboratorium in staat geweest een fusiereactie te realiseren die meer energie oplevert dan verbruikt, totdat NIF deze prestatie bereikte.
Kritcher en haar team voerden vervolgens in oktober met succes nog twee ontstekingen uit, wat het totaal op vier bracht.
Kritcher begon onderzoek te doen naar fusie-energie toen ze in 2004 een zomerstagiair was bij Livermore. Al snel richtte ze haar blik op NIF - een van de weinige plekken ter wereld waar fusiereacties kunnen worden bestudeerd.
Sindsdien leidt ze een team dat experimentele gegevens analyseert en computermodellen gebruikt om experimenten te ontwerpen - door parameters zoals de grootte en configuratie van het doel en de energie en timing van de verschillende laserstralen aan te passen - om fusieopbrengsten te bereiken en te verhogen. Zodra haar team het ontwerp heeft voltooid, neemt het experimentele team het afvuren van de lasers en het verzamelen van gegevens over.
Het proces heeft Kritcher laten zien uitzonderlijk te zijn en dat heeft ertoe geleid dat ze in 2016 een van de hoofdontwerpers bij NIF werd.
De komende jaren hebben Kritcher en haar team het ontwerp van NIF's voornaamste experimentele programma verder uitgewerkt en aangepast. Terwijl ze verschillende wijzigingen aan het doel aanbrachten, maakte het team ook gebruik van verschillende verbeteringen om de algehele energie van de laser te vergroten. Het gevolg is dat kernfusie steeds vaker wordt gerealiseerd.
Met het succes van 'Ignition' begon Kritcher een nieuwe reeks experimenten, waarbij de opbrengst opnieuw werd verhoogd door meer laserenergie aan een dikkere doelcapsule te leveren.
En dit vertegenwoordigt een nieuwe stap in de richting van het bereiken van tientallen terajoules of zelfs hogere opbrengsten bij NIF.
Gecontroleerde fusie, de heilige graal van schone energie
Simpel gezegd is kernfusie het proces waarbij twee lichte atoomkernen samenkomen om een zwaardere kern te vormen en daarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkomt.
Twee waterstofatomen botsen en polymeriseren om een heliumatoom te vormen, dat een iets kleinere massa heeft dan het oorspronkelijke waterstofatoom. Volgens Einsteins iconische massa-energievergelijking E=mc² wordt dit massaverschil omgezet in een uitbarsting van energie.
In de kern van de zon vindt elke seconde fusie van 620 miljoen ton waterstof plaats. De geproduceerde energie is de bron van al het leven op aarde.
Maar een van de grote uitdagingen bij het benutten van kernfusie is hoe de energie die vrijkomt bij de fusiereactie groter kan worden gemaakt dan de energie-input en hoe het proces duurzaam kan worden gemaakt.
Het NIF-ontstekingsprincipe
In de jaren zestig veronderstelde een groep baanbrekende wetenschappers van LLNL dat lasers zouden kunnen worden gebruikt om kernfusie te induceren in een laboratoriumomgeving.
Dit revolutionaire idee evolueerde vervolgens naar traagheidsopsluitingsfusie onder leiding van natuurkundige John Nuckolls.
Om dit concept te realiseren bouwde LLNL een reeks steeds krachtigere lasersystemen, met als hoogtepunt 's werelds grootste en meest energieke NIF.
In het experiment bootsten de lasers de omstandigheden in het centrum van de zon na door zware waterstofisotopen, deuterium en tritium, te laten samensmelten tot helium.
Eerst werden een aantal waterstofpellets in een apparaat ter grootte van een peperkorrel geplaatst, en vervolgens werd een krachtige 192-straallaser gebruikt om de waterstofbrandstof te verwarmen en te comprimeren.
Wanneer de lasers de torus binnendringen, raken ze de binnenmuren en zorgen ervoor dat ze röntgenstralen uitzenden, die de torus vervolgens tot 100 miljoen graden Celsius kunnen verwarmen – heter dan het centrum van de zon – en deze meer dan 100 miljard keer kunnen comprimeren. de atmosferische druk van de aarde.
Hoogenergetische lasers zouden het oppervlak van de klodder plasmateren, en de rest van het centrale materiaal zou, aangedreven door de derde wet van Newton, uiteindelijk naar het midden toe instorten en imploderen.
Op het moment van implosie kan er een kettingreactie – of ‘ontsteking’ – optreden als de juiste hoeveelheid warmte en druk op de brandstofpellet wordt uitgeoefend, waardoor er een grote hoeveelheid energie vrijkomt.
Technische wonderen
De National Ignition Facility (NIF), die al het bovenstaande mogelijk maakt, is ook een opmerkelijke prestatie op technisch en technologisch gebied.
Materiaalwetenschappers en laserfysici werkten samen met ingenieurs om een faciliteit te ontwerpen met 7500 grote optica, 26,000 kleine optica en meer dan 66,000 controlepunten.
Deze optica en andere componenten zijn opgenomen in ongeveer 6.200 complexe modulaire eenheden, genaamd Line Replaceable Units (LRU's). Ze kunnen indien nodig snel worden vervangen om de continue werking van de faciliteit te garanderen.
De NIF-laserpuls legt een kilometer af en heeft 4,5 microseconden nodig vanaf de initiële pulsvorming in de hoofdoscillatorkamer tot het bereiken van het doel. Het tijdsverschil om het midden van de doelkamer te bereiken is 30 picoseconden met een nauwkeurigheid van 50 micron.
Het bereiken van dit soort richtstabiliteit en absolute nauwkeurigheid op het doel is een enorme technische uitdaging, die een rotsvaste stabiliteit van het optische ondersteuningssysteem, nauwkeurige positionering en uitlijning van de componenten en een uiterst nauwkeurig computergestuurd timingsysteem vereist.
Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, zijn alle structuren die de NIF-spiegels en lenzen ondersteunen ontworpen met het oog op extreme stabiliteit.
Het technische team berekende nauwgezet de mogelijke effecten op de lasercomponenten, meestal de laserspiegels, voor alle trillingsbronnen, inclusief pompen, motoren en transformatoren.
Through careful modeling, both vibration (>1 Hz) en drift (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
Om ervoor te zorgen dat de bundellijncomponenten de laserkopruimte niet beïnvloedden, gebruikte het team bovendien precisiemeettechnieken, wat resulteerde in een rigoureus meetnetwerk en een gecontroleerde fysieke locatie van alle bundellijncomponenten. De posities van alle straalbehuizingen, ondersteuningssystemen en doelkamers waren tot op een kwart millimeter nauwkeurig.
Deze informatie werd vervolgens verstrekt aan het ontwerpteam, dat de constructie ontwierp met voldoende stijfheid en demping, zodat de reactie van de constructie op grondtrillingen en de verwachte trillingen van de bouwapparatuur voldeed aan de algemene stabiliteitseisen.
Ervoor zorgen dat alle 192 laserstralen binnen de gespecificeerde 30 picoseconden arriveerden, werd bereikt door een nauwkeurig timingsysteem met behulp van een GPS-satellietsysteem dat voortdurend de interne klok bijwerkt. Geïntegreerde software en hardware controleren en updaten voortdurend de timing om de nauwkeurigheid te behouden.
Elke mechanische interface is ontworpen met een tolerantie van meer dan 300 femtoseconden (drie biljoensten van een seconde), zodat LRU's op elk moment kunnen worden gewijzigd om de timingnauwkeurigheid te behouden. Bovendien handhaaft een strak gecontroleerd programma de systeemtiming voor elke LRU.
Hoewel we met dit apparaat kernfusie nog niet echt kunnen toepassen op de energieopwekking.
Maar op een schaal van 60 jaar heeft de mensheid een grote doorbraak bereikt.
Voor de toekomst kunnen we misschien ook meer verbeeldingskracht hebben.
