Ontsteking is een sleutelproces dat de energie-output van kernfusie versterkt en schone energie kan leveren en een aantal grote natuurkundige vragen kan beantwoorden.

Een nieuw experiment lijkt voor het eerst de ontsteking te hebben geactiveerd, bij de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in de VS, het nabootsen van de extreme temperaturen en drukken in het hart van de zon.

Dit heeft meer energie opgeleverd dan enig eerder fusie-experiment met traagheidsopsluiting, en bewijst dat ontsteking mogelijk is, de weg vrijmaken voor reacties die meer energie produceren dan nodig is om op gang te komen.

Natuurkundigen van het Imperial College London helpen al bij het analyseren van de gegevens van het succesvolle experiment, die werd uitgevoerd op 8 augustus 2021. Imperial heeft ook meer dan 30 Ph.D. studenten die bij het NIF zijn gaan werken. Het college onderhoudt sterke banden met de faciliteit, en anderen over de hele wereld, via het Center for Inertial Fusion Studies (CIFS).

Belangrijke stap voorwaarts

Co-directeur van het Center for Inertial Fusion Studies bij Imperial, Professor Jeremy Chittenden, zei dat "het aantonen van ontsteking een grote wetenschappelijke uitdaging is geweest sinds het idee bijna 50 jaar geleden voor het eerst werd gepubliceerd. Het was de belangrijkste reden voor de bouw van NIF en is al meer dan tien jaar het primaire doel."

"Na tien jaar van gestage vooruitgang in het aantonen van ontsteking, de resultaten van experimenten van het afgelopen jaar waren spectaculairder, omdat kleine verbeteringen in de fusie-energie-output sterk worden versterkt door het ontstekingsproces. Het tempo van de verbetering van de energie-output is snel geweest, wat suggereert dat we binnenkort meer energiemijlpalen kunnen bereiken, zoals het overschrijden van de energie-input van de lasers die worden gebruikt om het proces op gang te brengen."

"Dit is cruciaal om de belofte van fusie-energie te openen en natuurkundigen in staat te stellen de omstandigheden in enkele van de meest extreme staten in het heelal te onderzoeken, inclusief die slechts enkele minuten na de oerknal. Gecontroleerde fusie in het laboratorium is een van de bepalende wetenschappelijke grote uitdagingen van dit tijdperk en dit is een belangrijke stap voorwaarts."

Co-directeur van het Center for Inertial Fusion Studies bij Imperial, Professor Steven Roos, zei dat "het NIF-team buitengewoon werk heeft verricht. Dit is de belangrijkste vooruitgang in traagheidsfusie sinds het begin in 1972."

"Wat is bereikt, heeft het fusielandschap volledig veranderd en we kunnen nu uitkijken naar het gebruik van ontstoken plasma's voor zowel wetenschappelijke ontdekkingen als energieproductie."

Ontsteking bereiken

Het type kernreactie dat de huidige elektriciteitscentrales van brandstof voorziet, is splijting - het splitsen van atomen om energie vrij te maken. Fusie dwingt in plaats daarvan waterstofatomen samen om energie te winnen, het produceren van een grote hoeveelheid energie, en, cruciaal, beperkt radioactief afval.

Om deze reden, er wordt al tientallen jaren gezocht naar een manier om efficiënte fusiereacties te creëren om met weinig hulpbronnen schone energie te produceren. Echter, fusiereacties zijn moeilijk te beheersen gebleken en tot op heden zijn geen enkel fusie-experiment heeft meer energie opgeleverd dan er in is gestopt om de reactie op gang te brengen.

Hoewel het laatste experiment nog steeds meer energie vereiste dan het eruit kreeg, het is de eerste die het cruciale stadium van 'ontsteking' bereikt, waardoor aanzienlijk meer energie kon worden geproduceerd dan ooit tevoren, en maakt de weg vrij voor 'break-even', waarbij de energie die erin gaat, overeenkomt met de energie eruit.

Er zijn twee manieren waarop onderzoekers wereldwijd momenteel fusie-energie proberen te produceren. Het NIF richt zich op inertiële opsluiting fusie, die een systeem van lasers gebruikt om brandstofpellets op te warmen en een plasma te produceren - een wolk van geladen ionen.

De brandstofpellets bevatten 'zware' versies van waterstof - deuterium en tritium - die gemakkelijker te fuseren zijn en meer energie produceren. Echter, de brandstofpellets moeten worden verwarmd en onder druk worden gebracht tot de omstandigheden in het centrum van de zon, dat is een natuurlijke fusiereactor.

Zodra aan deze voorwaarden is voldaan, bij fusiereacties komen verschillende deeltjes vrij, inclusief 'alpha' deeltjes, die interageren met het omringende plasma en het verder opwarmen. Het verwarmde plasma geeft dan meer alfadeeltjes af, enzovoort, in een zichzelf in stand houdende reactie - een proces dat ontsteking wordt genoemd.

Echter, dit proces is nooit eerder volledig gerealiseerd - tot nu toe. De resultaten van het experiment op 8 augustus wijzen op een energie-output van meer dan één megajoule, die de drempel markeert die is overeengekomen voor het begin van 'ontsteking' en zes keer de eerder bereikte hoogste energie is.

Arthur Turrel, van de afdeling natuurkunde van Imperial, en auteur van het pas verschenen boek The Star Builders:nucleaire fusie en de race om de planeet van energie te voorzien , zei:"Deze fenomenale doorbraak brengt ons verleidelijk dicht bij een demonstratie van 'netto energiewinst' van fusiereacties - net wanneer de planeet het nodig heeft."

"Het team van de National Ignition Facility, en hun partners over de hele wereld, verdienen alle lof voor het overwinnen van enkele van de meest angstaanjagende wetenschappelijke en technische uitdagingen die de mensheid ooit is aangegaan. De bereikte buitengewone energieafgifte zal de kernfusie-inspanningen over de hele wereld aanmoedigen, een impuls geven aan een trend die al in volle gang was."

Onbekend terrein

Professor Chittenden zei dat "terwijl de NIF in de eerste plaats een natuurkundig experiment is, en niet het hoofddoel heeft om fusie-energie te creëren, dit ongelooflijke resultaat betekent dat deze droom dichter bij realiteit is. We hebben nu bewezen dat het mogelijk is om ontsteking te bereiken, inspiratie geven aan andere laboratoria en start-ups over de hele wereld die werken aan de productie van fusie-energie om te proberen dezelfde voorwaarden te realiseren met een eenvoudiger, robuustere en vooral goedkopere methode."

Het Imperial-team analyseert nu de resultaten van het experiment, met behulp van diagnostische methoden die ze hebben ontwikkeld om te begrijpen wat er gebeurt in dergelijke extreme omstandigheden. Dr. Brian Appelbe, Onderzoeksmedewerker in het Center for Inertial Fusion Studies bij Imperial, zei dat "de NIF-lasers al de meest extreme omstandigheden op aarde creëerden, maar het nieuwe experiment lijkt de eerder bereikte temperatuur te hebben verdubbeld. We zijn een regime binnengegaan waar we nog nooit eerder in zijn geweest - dit is onbekend terrein voor ons begrip van plasma."

Dr. Aidan Crilly, Onderzoeksmedewerker in het Center for Inertial Fusion Studies bij Imperial, voegde eraan toe dat "door de omstandigheden in het centrum van de zon te reproduceren, we toestanden van materie kunnen bestuderen die we nooit eerder in het laboratorium hebben kunnen creëren, inclusief die gevonden in sterren en supernova's."

"We zouden ook inzicht kunnen krijgen in kwantumtoestanden van materie en zelfs in omstandigheden die steeds dichter bij het begin van de oerknal komen - hoe heter we worden, hoe dichter we bij de allereerste staat van het heelal komen."