De Z-machine brengt de droom van efficiënte kernfusie-energie dichterbij

Onderzoekers die werken aan iets dat het Z-Machine experiment heet melden dat ze een belangrijke stap hebben gezet in hun zoektocht naar de heilige graal voor energie. De wetenschappers publiceerden in een nieuw paper dat ze "grote aantallen neutronen" hebben gedetecteerd. Neutronen zijn een bijproduct van kernfusie en dus een teken dat ze een succesvolle fusiereactie hebben ontketend.

Fusie is niets minder dan een belofte van vrije energie, of in ieder geval een versie van kernenergie die geen afvalproducten afscheidt en gebaseerd is op een zelf-beperkend proces. Fusie heeft dus in principe geen last van meltdowns en ook niet van radioactief restafval dat weer ergens gedumpt moet worden. Maar zoals met alles dat zo mooi klinkt, is fusie heel moeilijk om voor elkaar te krijgen.

Niettemin hebben overheden van over de hele wereld een enorme smak geld gestopt in ITER – een megaproject in Zuid-Frankrijk. Tot nu toe is er zo'n 40 miljoen euro in de machine gestopt, wat ITER het duurste wetenschapsproject in de historie van de mensheid maakt.

ITER is echter niet de enige die deze droom najaagt; er zijn ook kleinschaligere projecten zoals Z-Machine, die een stuk goedkoper zijn. In dit geval doen ze het ook op een totaal andere manier.

Het fundamentele probleem met kernfusie is dat kernen van atomen elkaar afstoten door de alledaagse elektromagnetische krachten: gelijke ladingen stoten elkaar af en tegengestelde ladingen trekken elkaar aan. Deze elektromagnetische krachten zijn van dichtbij zeer krachtig, dus om atoomkernen voldoende bij elkaar in de buurt te brengen is een gigantische hoeveelheid energie nodig. De kernen moeten met snelheden van duizenden kilometers per seconde tegen elkaar aan botsen om überhaupt in de buurt van kernfusie te komen.

Dit soort botsingen kunnen worden bewerkstelligd door grote hoeveelheden warmte in de atomen te pompen, waarbij temperaturen tot vijftig miljoen graden Celsius nodig zijn.

Dat soort warmte krijg je niet voor niks. Het kost verschrikkelijk veel energie. Om een fusiereactie te creëren moet er dus een enorme hoeveelheid energie geïnvesteerd worden. En dan is het de vraag of een succesvolle fusie voldoende energie oplevert om de geïnvesteerde energie er weer uit te halen.

Zoals het nu met fusieonderzoek staat, is het alsof er een x aantal kilometer verderop een liter gratis benzine op ons staat te wachten. Maar tot nu toe is die x zo groot dat er meer dan een liter wordt verbruikt om er te komen. Dit resulteert in een netto verlies aan energie.

Het ITER-project is opgebouwd rond een reactor die bekend staat als de Tokamak-reactor. Dit is in feite een bad in de vorm van een donut, die superverhit plasma bevat dat dient als de brandstof voor de fusie. Hoe warmer iets wordt hoe meer atomen er rondstuiteren en tegen elkaar aan botsen. De botsingen kunnen er uiteindelijk met voldoende energie voor zorgen dat de atomen fuseren.

Een alternatieve fusiebenadering is dat er kleine stukjes waterstof worden beschoten met een supersterke laserstraal. Het idee is dan dat de laserstraal de waterstof voldoende samendrukt, waardoor er een fusiereactie ontstaat. Deze aanpak wordt gebruikt in de National Ignition Facility in Californië. Het probleem bij zowel de Tokamak als de laserstraal is dat het nog niet gelukt om evenveel energie op te wekken als dat het kostte.

De fusietechnologie die gebruikt word in de Z-machine leent een beetje van allebei de bovenstaande technieken. "Het verplettert de brandstof met een korte puls, net als laserfusie, maar niet zo snel en niet onder dezelfde dichtheid," zegt Daniel Clery in het journal Science. "De techniek staat bekend als 'magnetised liner inertial fusion' (MagLIF); dit houdt in dat een beetje fusiebrandstof (een gas van deutrium) in een klein metalen blikje van 5 mm breed en 7,5 mm hoog wordt gestopt. De onderzoekers gebruiken dan de Z-machine om een negentien miljoen ampère sterke stroomstoot ongeveer 100 nanoseconden door ht blikje heen te stoten. Hierdoor ontstaat een sterk magnetisch veld dat het blik verbrijzelt met een snelheid van 70 km/s."

Ondertussen wordt de brandstof voorverwarmd met een andere zachtere lasterstraal en wordt er een magnetisch veld toegepast om het allemaal op zijn plek te houden. In een notendop is er dus verwarmd plasma, dat vervolgens wordt bestraald met een laser. En in plaats van dat de deeltjes uit elkaar vliegen, worden ze op hun plek gehouden door het magnetische veld. En dan is er fusie.

De nieuwste resultaten werden vorige maand gepubliceerd in het journal Physical Review Letters. De natuurkundigen melden dat de reactie onder 35 miljoen graden Celsius bij elke puls rond de twee triljoen neutronen opleverde; neutronen zijn een bijproduct van een reactie wanneer twee kernen van deuterium-atomen fuseren. Gedetecteerde röntgenstraling toont aan dat er een zogenaamd "hot fuel region" werd geproduceerd dat twee nanoseconden duurde.

Clery merkt op dat bij er dit keer 100 keer meer neutronen zijn geproduceerd dan in het experiment een jaar geleden, maar er moeten nog 10,000 keer meer neutronen geproduceerd worden voordat we een break-even punt qua energie bereiken. Dat lijkt extreem veel, maar simulaties hebben aangetoond dat Z-machine's maximale vermogen van 27 miljoen ampère voldoende is om een reactie op het break-even punt te produceren.

"In de toekomst zouden alfadeeltjes het plasma zelf verder kunnen verwarmen en daarmee het fusievermogen kunnen verhogen. Dit proces is nodig voor een betere of zelfs break-even fusie," zegt de hoofdauteur van het paper Adam Sefkow, in een persbericht van het onderzoeksinstituut.

Een upgrade zou het project naar de 60 miljoen ampère moeten brengen, en op deze manier is het geheel weer een stukje dichterbij commerciële levensvatbaarheid. Een paper uit 2012 concludeert dat bij de gesimuleerde omstandigheden van 60 miljoen ampère "meer dan voldoende is voor fusie-energie toepassingen."