Recente rapporten van wetenschappers die een nieuw soort kernfusietechnologie nastreven, zijn bemoedigend, maar we zijn nog steeds op enige afstand verwijderd van de 'heilige graal van schone energie'.

De technologie ontwikkeld door Heinrich Hora en zijn collega's aan de Universiteit van NSW gebruikt krachtige lasers om waterstof- en booratomen samen te smelten, waarbij hoogenergetische deeltjes vrijkomen die kunnen worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Net als bij andere soorten kernfusietechnologie, echter, de moeilijkheid zit hem in het bouwen van een machine die de reactie op betrouwbare wijze kan initiëren en de energie die deze produceert kan benutten.

Wat is fusie?

Fusie is het proces dat de zon en de sterren aandrijft. Het treedt op wanneer de kernen van twee atomen zo dicht bij elkaar worden gedwongen dat ze samensmelten tot één, daarbij energie vrijmaken. Als de reactie in het laboratorium kan worden getemd, het heeft het potentieel om bijna onbeperkte basislastelektriciteit te leveren met vrijwel geen koolstofemissies.

De gemakkelijkste reactie om in het laboratorium te starten is de fusie van twee verschillende isotopen van waterstof:deuterium en tritium. Het product van de reactie is een heliumion en een snel bewegend neutron. Het meeste fusieonderzoek tot nu toe heeft deze reactie gevolgd.

Deuterium-tritiumfusie werkt het beste bij een temperatuur van ongeveer 100, 000, 000℃. Een plasma - de naam voor de vlamachtige toestand van materie bij zulke temperaturen - zo heet opsluiten, is geen sinecure.

De leidende benadering voor het benutten van fusie-energie wordt toroïdale magnetische opsluiting genoemd. Supergeleidende spoelen worden gebruikt om een ​​veld te creëren dat ongeveer een miljoen keer sterker is dan het magnetische veld van de aarde om het plasma te bevatten.

Wetenschappers hebben deuterium-tritiumfusie al bereikt bij experimenten in de VS (de Tokamak Fusion Test Reactor) en het VK (de Joint European Torus). Inderdaad, een deuterium-tritium-fusiecampagne zal dit jaar plaatsvinden in het Britse experiment.

Deze experimenten starten een fusiereactie met behulp van enorme externe verwarming, en het kost meer energie om de reactie in stand te houden dan de reactie zelf produceert.

De volgende fase van het reguliere fusie-onderzoek omvat een experiment genaamd ITER ("de weg" in het Latijn) dat wordt gebouwd in het zuiden van Frankrijk. Bij ITER, de opgesloten heliumionen die door de reactie worden gecreëerd, zullen evenveel verwarming produceren als de externe verwarmingsbronnen. Omdat het snelle neutron vier keer zoveel energie draagt ​​als het heliumion, de vermogenswinst is een factor vijf.

ITER is een proof of concept vóór de bouw van een demonstratiecentrale.

Wat is er anders aan het gebruik van waterstof en boor?

De technologie gerapporteerd door Hora en collega's suggereert het gebruik van een laser om een ​​zeer sterk beperkend magnetisch veld te creëren, en een tweede laser om een ​​waterstofboorbrandstofpellet te verwarmen om het punt van fusieontsteking te bereiken.

Wanneer een waterstofkern (een enkel proton) fuseert met een boor-11-kern, het produceert drie energetische heliumkernen. Vergeleken met de deuterium-tritiumreactie, dit heeft het voordeel dat er geen neutronen worden geproduceerd, die moeilijk te bevatten zijn.

Echter, de waterstof-boorreactie is in de eerste plaats veel moeilijker te activeren. De oplossing van Hora is om een ​​laser te gebruiken om een ​​kleine brandstofpellet te verhitten tot ontstekingstemperatuur, en een andere laser om metalen spoelen op te warmen om een ​​magnetisch veld te creëren dat het plasma zal bevatten.

De technologie maakt gebruik van zeer korte laserpulsen, duurt slechts nanoseconden. Het vereiste magnetische veld zou extreem sterk zijn, ongeveer 1, 000 keer zo sterk als die gebruikt in deuterium-tritium experimenten. Onderzoekers in Japan hebben deze technologie al gebruikt om een ​​zwakker magnetisch veld te creëren.

Hora en collega's beweren dat hun proces een "lawine-effect" in de brandstofpellet zal creëren, wat betekent dat er veel meer fusie zal plaatsvinden dan anders zou worden verwacht. Hoewel er experimenteel bewijs is om enige toename van de fusiereactiesnelheid te ondersteunen door laserstraal en doel aan te passen, om te vergelijken met deuterium-tritiumreacties zou het lawine-effect de fusiereactiesnelheid met meer dan 100 moeten verhogen, 000 keer op 100, 000, 000℃. Er is geen experimenteel bewijs voor een toename van deze omvang.

Waarheen vanaf hier?

De experimenten met waterstof en boor hebben zeker fascinerende fysieke resultaten opgeleverd, maar prognoses van Hora en collega's van een vijfjarig traject om fusie-energie te realiseren lijken voorbarig. Anderen hebben laser-getriggerde fusie geprobeerd. De National Ignition Facility in de VS, bijvoorbeeld, heeft geprobeerd waterstof-deuteriumfusie-ontsteking te bereiken met behulp van 192 laserstralen gefocust op een klein doelwit.

Deze experimenten bereikten een derde van de omstandigheden die nodig zijn voor ontsteking voor een enkel experiment. De uitdagingen omvatten nauwkeurige plaatsing van het doel, niet-uniformiteit van de laserstraal, en instabiliteiten die optreden als het doelwit implodeert.

Deze experimenten werden maximaal twee keer per dag uitgevoerd. Daarentegen, schattingen suggereren dat een elektriciteitscentrale het equivalent van 10 experimenten per seconde zou vereisen.

De ontwikkeling van fusie-energie zal hoogstwaarschijnlijk worden gerealiseerd door het reguliere internationale programma, met het ITER-experiment als kern. Australië is internationaal betrokken bij het ITER-project op het gebied van theorie en modellering, materiaalwetenschap en technologische ontwikkeling.

Veel hiervan is gebaseerd op de ANU in samenwerking met de Australian Nuclear Science and Technology Organization, die de ondertekenaar is van een samenwerkingsovereenkomst met ITER. Dat gezegd hebbende, er is altijd ruimte voor slimme innovatie en nieuwe concepten, en het is prachtig om allerlei investeringen in fusiewetenschap te zien.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.