Toekomstig Amerikaans fusieonderzoek moet opties open houden, rapport concludeert

Wetenschap rapportage verdeling? Persberichten over een doorbraak bij de National Ignition Facility, een krachtig Amerikaans lasersysteem, bleken een beetje een hype te zijn.

Lawrence Livermore National Laboratory / Wikimedia

De Verenigde Staten moeten beginnen aan een gecoördineerd nationaal onderzoeksprogramma naar fusie met inertiële opsluiting pas nadat onderzoekers met succes de wetenschappelijke basis van de technologie hebben aangetoond door een brandend plasma in het laboratorium te creëren, beveelt een panel van deskundigen van de Amerikaanse nationale academies aan in een rapport vandaag vrijgegeven. Die conclusie zal de druk op de National Ignition Facility (NIF), het $ 3, 5 miljard laserfusieproject in het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, vergroten. NIF, dat in 2009 werd voltooid, zou een ontsteking hebben bereikt een brandend plasma dat minstens evenveel energie produceert als vorig jaar. NIF heeft die deadline echter gemist, maar wacht nu op een beslissing van het Congres over zijn toekomstige financiering. Ondertussen vroeg het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) de nationale academies om te onderzoeken welke stappen de Verenigde Staten zouden moeten nemen om fusiekracht te ontwikkelen als NIF uiteindelijk ontsteking bereikt.

Fusion wil energie opwekken door lichte kernen samen te voegen om grotere te maken, een proces waarbij een deel van de nucleaire massa wordt omgezet in energie. Maar het creëren van fusie vereist temperaturen van meer dan 50 miljoen C en enorme druk. Inertiële opsluitingsfusie (ICF) probeert die omstandigheden te creëren door een kleine capsule fusiebrandstof te nemen (meestal een mengsel van de waterstofisotopen deuterium en tritium) en deze met hoge snelheid te verpletteren met behulp van een vorm van "driver", zoals lasers, deeltjes stralen of magnetische pulsen.

ICF heeft in de loop van de jaren stuk voor stuk financiering uit verschillende bronnen ontvangen, maar de meerderheid is afkomstig van DOE's National Nuclear Security Administration (NNSA), die kernwapens beheert. Al bijna twee decennia ondersteunt NNSA de bouw en exploitatie van NIF omdat de kleine explosies van ICF wapenwetenschappers kunnen helpen die proberen de Amerikaanse nucleaire wapenvoorraad te handhaven. NIF is het vlaggenschip van de wereld voor ICF geworden en het rapport van vandaag zegt dat het vermogen om met succes een brandend plasma te creëren van cruciaal belang zal zijn voor de volgende stappen in de richting van een prototype van een fusie-energiecentrale. "Het bereiken van ontsteking op NIF zou een belangrijke trigger moeten zijn voor de overheid om te beslissen of zij een nationaal gecoördineerd [inertiële fusie-energie] programma moet lanceren", zegt co-voorzitter Ronald Davidson van Princeton Plasma Physics Laboratory in New Jersey.

Het Livermore-lab heeft zijn visie op de volgende stap, genaamd Laser Inertial Fusion Energy (LIFE), sterk gepromoot. Maar de NAS-commissie is voorstander van een breed programma dat gelijkwaardige facturering mogelijk maakt voor alternatieve lasergebaseerde benaderingen van de Universiteit van Rochester in New York en het Naval Research Laboratory, evenals een magnetisch pulssysteem dat wordt onderzocht door DOE's Sandia National Laboratory en een deeltjesbundelsysteem van Lawrence Berkeley National Laboratory. "Als de regering besluit door te gaan, moet er een goed doordacht programma zijn om benaderingen op de juiste schaal te testen, " zegt Davidson. "Maar als een bepaalde aanpak te duur blijkt te zijn [om commercieel te zijn], moet men bereid zijn om deze bij de volgende afrit op te stijgen."

Het bestaande ICF-programma van DOE staat al onder druk om de reikwijdte ervan te verbreden vanwege de moeilijkheid die NIF heeft om te ontsteken. Het voorstel voor het Congres zoekt financiering om ook magnetische pulsfusie bij Sandia en de rivaliserende lasertechniek genaamd polar direct drive na te streven, die op NIF zou worden uitgevoerd. "We moeten er alles aan doen om meer gegevens over de directe poolaandrijving bij NIF te krijgen. Het krijgt een orde van grootte meer energie op het doelwit", zegt Robert McCrory, directeur van het Laboratorium voor Laser Energetica aan de Universiteit van Rochester.

Het rapport benadrukt ook het feit dat hoewel ICF-onderzoekers het grootste deel van hun inspanningen hebben gericht op het ontwikkelen van chauffeurs en het aantonen van ontsteking, andere onderzoeksgebieden die essentieel zijn voor commerciële exploitatie minder aandacht hebben gekregen. Deze omvatten reactiekamers die jarenlang herhaalde explosies kunnen weerstaan, lasers die hoge energiepulsen vele malen per seconde kunnen afvuren, en technieken om de kleine doelcapsules te produceren - een commerciële fabriek kan meer dan een miljoen per dag gebruiken. "Om de kosten van elektriciteit laag te houden, moet er een R & D-programma zijn om de technologie te demonstreren om op industriële schaal doelen op industriële schaal te produceren, " zegt Davidson.

Het is echter onwaarschijnlijk dat een dergelijk programma binnenkort kan starten. Financiering voor fusie in het algemeen is extreem krap vanwege bezuinigingen op de overheidsbegroting en de hoge kosten van het ITER-fusiereactorproject in Frankrijk, waarvan de Verenigde Staten een partner zijn. (ITER gebruikt een andere aanpak, genaamd magnetische opsluitingsfusie.) Toch zouden ICF-onderzoekers dat startpistool graag horen van NIF. "Totdat je ontsteking aantoont, heb je geen pad naar energie, " zegt McCrory.

* Verduidelijking 11:20 uur, 21 februari: Davidson denkt dat "het bereiken van een ontsteking op NIF een belangrijke trigger zou moeten zijn voor de regering om te beslissen of het een nationaal gecoördineerde [inertiële fusie-energie] moet lanceren, " geen ICF-programma, zoals aanvankelijk gerapporteerd.