New approach in laser inertial fusion , fast ignition and magnetic confinement

De zoektocht naar het beheersen van de kracht van de sterren is al lang een centraal doel van de natuurkunde, met als doel het proces te repliceren dat de zon voedt: kernfusie. In dit proces worden lichte atomen onder enorme druk en hitte bij elkaar gedreven om zwaardere atomen te vormen, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Hoewel wetenschappers erin zijn geslaagd om fusiereacties in laboratoria te creëren, blijft het omzetten van die vluchtige krachtexplosie in een constante, betrouwbare bron van elektriciteit voor ons elektriciteitsnet een van de moeilijkste technische uitdagingen op aarde. De primaire hindernissen betreffen het perfect comprimeren van een klein brandstofpellet en vervolgens het opvangen van de resulterende energie zonder de machine die het bevat te vernietigen. Traditionele benaderingen worstelen vaak met de symmetrie van de compressie of de duurzaamheid van de reactorwanden, die intense uitbarstingen van straling en hitte moeten weerstaan.

In een nieuw voorstel schetst Yuri Chivel van MerPhotonics een onderscheidende aanpak om deze problemen op te lossen, door een nieuw laserontwerp te combineren met een radicaal andere reactorstructuur. Het kernidee is om de complexe, meerfasige lasersystemen die momenteel worden gebruikt te vervangen door een eenvoudiger, sferische opstelling die fungeert als één enkel, massief optisch instrument. In plaats van lasers van buiten naar binnen te schieten, voorziet dit ontwerp in een reactor waarbij de lasercomponenten zelf de schil van de sfeer vormen, wat een uniforme golf van licht creëert die convergeert op een doel in het midden. Deze methode beoogt het brandstofpellet met perfecte symmetrie te comprimeren, een cruciale vereiste voor succes die historisch gezien moeilijk te bereiken is geweest.

De beschreven reactor is een sfeer van vier meter in diameter, bekleed met honderden schijfvormige laserelementen. Deze elementen zijn in een concentrische laag gerangschikt, waardoor een grote holte ontstaat. In de lineaire fase van de werking kaatst licht heen en weer binnen deze grote sfeer, waardoor een specifiek energiemodel wordt opgebouwd met een brandpunt precies in het midden. De innovatie ligt in de manier waarop de puls wordt getriggerd. In plaats van complexe elektronische shutters te gebruiken om de energie vrij te geven, gebruikt het systeem het brandstofpellet zelf als een schakelaar. Wanneer een kleine pellet met een mengsel van deuterium en tritium met hoge snelheid in het midden van de sfeer wordt geschoten, blokkeert deze de grote holte fysiek. Dit dwingt het licht om over te schakelen naar veel kleinere, individuele holtes gevormd door de laserdisken. Deze plotselinge verschuiving zorgt ervoor dat de opgeslagen energie in één keer vrijkomt in een gesynchroniseerde, nanoseconde-lange uitbarsting die de pellet vanuit alle richtingen tegelijkertijd raakt, waardoor deze met enorme kracht wordt verpletterd.

Zodra de pellet is gecomprimeerd, moet deze worden ontstoken om de fusie-reactie te starten. Het artikel suggereert een "fast ignition"-strategie die de compressiefase scheidt van de verwarmingsfase. In plaats van te vertrouwen op één enkele, massieve laserstraal om het gecomprimeerde brandstof te verhitten, gebruikt dit ontwerp een systeem van zes tot tien kortere, ultra-snelle laserpulsen. Deze pulsen raken het oppervlak van de gecomprimeerde pellet, waarbij krachtige bundels geladen deeltjes genereren—specifiek ionen van deuterium en tritium. Deze ionenbundels worden gegenereerd via botsingsloze schokken die direct in de plasma-corona rond de gecomprimeerde pellet worden opgewekt. De bundels botsen vervolgens in het centrum van de pellet, waarbij ze hun energie direct in de brandstof overdragen en de temperatuur hoog genoeg brengen om de fusie-reactie te triggeren. Deze methode wordt voorgesteld als efficiënter dan eerdere pogingen omdat de ionen direct in de plasma-corona van de gecomprimeerde pellet worden gegenereerd, wat het energieverlies vermindert en een compactere ontsteking zorgt voor een compacter ontstekingssysteem.

Misschien wel de meest significante afwijking van standaardontwerpen is de behandeling van de binnenwand van de reactor. In de meeste fusieconcepten is de eerste wand een solide barrière gemaakt van metaal of koolstof die de hitte en straling van de reactie absorbeert, wat uiteindelijk leidt tot schade en frequente vervanging vereist. Chivel stelt een transparante eerste wand voor van gefuseerd kwartsglas. Dit glas is ontworpen om de intense neutronenflux en gammastraling van de fusie-reactie door te laten zonder deze te absorberen. Achter deze glazen wand stroomt een dikke laag water, die fungeert als de werkelijke absorber. De neutronen vertragen in het water, waarbij ze hun energie als warmte overdragen, die vervolgens kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Dit ontwerp beschermt de structurele glazen wand tegen de directe thermische schok en stralingsschade die typisch solide wanden vernietigen, terwijl het water de energie efficiënt opvangt.

Om ervoor te zorgen dat de hogesnelheidsionen die tijdens de reactie worden geproduceerd de glazen wand niet raken en beschadigen, introduceert het artikel een uniek magnetisch schild dat door licht wordt gecreëerd. Door twee ringvormige bundels in twee onderling loodrechte optische versterkingscaviteiten te plaatsen, vormt het systeem een laser-magnetische val waarbij de bundels elkaar snijden. Deze intersectie genereert een magnetisch veld dat sterk genoeg is om de geladen deeltjes weg te buigen van de wand en ze binnen het centrum van de reactor te houden. Deze "laser-magnetische opsluiting" werkt als een onzichtbare barrière, die de delicate glazen structuur beschermt tegen het gewelddadige plasma van de fusie-gebeurtenis. Het hele systeem is ontworpen om te werken met een thermodynamische cyclus met lage temperatuur, waarbij het verwarmde water wordt gebruikt om turbines aan te drijven, een keuze die de voorkeur geeft aan eenvoud en betrouwbaarheid boven de extreme temperaturen die vaak met andere fusieconcepten worden geassocieerd.

Het artikel presenteert deze ideeën als een samenhangend theoretisch kader, ondersteund door berekeningen en simulaties. De auteur suggereert dat deze combinatie van een sferische laseropstelling, een door een pellet getriggerd pulsmechanisme, en een transparante glazen wand met waterkoeling de symmetrie- en duurzaamheidsproblemen zou kunnen overwinnen die eerdere ontwerpen hebben geplaagd. Hoewel het voorstel steunt op gevestigde principes van laserfysica en plasmadynamica, blijft de specifieke integratie van deze elementen in een enkel, vereenvoudigd reactorarchitectuur een concept dat getest moet worden. Het werk claimt niet een reactor te hebben gebouwd, maar biedt eerder een gedetailleerd blauwdruk voor hoe een dergelijke machine gebouwd zou kunnen worden om het langverwachte doel van praktische fusie-energie te bereiken.