Bouwput van de kernfusiereactor Iter in Saint-Paul-lez-Durance (F) is een hoofdpijnproject (foto: AFP)

Al tientallen jaren wordt er gemodderd met kernfusie. In theorie is dat een eindeloze enegriebron, maar de praktijk is weerbarstig, niet in de laatste plaats vanwege de omstandigheden die kernfusie, het samensmelten van kernen, mogelijk  moeten maken. Dat zijn omstandigheden die ook op de zon heersen. Nu hebben onderzoekers in Amerika wellicht een milder alternatief gevonden, dat werkt met lasers die met ultrakorte energiepulsjes werken. Ze hebben het dan over kwantumgestuurde fusie. Voorlopig hebben ze daar alleen nog maar aan gerekend.
De truc bij kernfusie is dat je er voor moet zorgen dat de atoomkernen van waterstofisotopen zo hard op elkaar kletteren, dat ze samensmelten. Om de trefkans te vergroten moeten de atomen zo dicht mogelijk op elkaar zitten. Dat doe je door die atomen in een magnetische insluiting tot waanzinnige snelheden (=temperaturen) te brengen. Al die energie die je daar in steekt moet je weer zien ’terug te verdienen’ door de energie die de fusiereactor oplevert.

De onderzoekers van de Rice-universiteit van de universiteit van Illinois denken dat je de atomen kunt ‘verleiden’ met elkaar samen te smelten door gebruik te maken van uiterst energierijke, ultrakorte laserpulsjes in de ordegrootte van femtoseconden (10^-15 s). Door die lasertechniek zouden de atoomkernen dicht genoeg op elkaar ‘geduwd’ worden om de Coulombbarrière (de afstoting tussen positiefgeladen atoomkernen) te overwinnen. Vervolgens zou fusie plaats moeten vinden. Daarbij ontstaat warmte en komen neutronen vrij.
Ik vind het altijd weer een tikje ontluisterend dat zo’n ‘superlatieve’ energietechniek gebruikt wordt om een potje water te koken, maar alla. Niet iedereen kan zonnecellen bedenken.

Dat hele fusieproces moet netjes gebeuren, anders volgt er een ramp. Kernfusieonderzoekers zijn daar al tientallen jaren mee bezig.
De onderzoekers hebben hun methode beschreven en het proces in twee dimensies gesimuleerd. Volgens Peter Wolynes van de Rice-universiteit is tweedimensionale simulatie gebruikt om de boel praktisch (berekenbaar) te houden. Ze hadden de waterstofatomen in hun rekenmodel ook ontdaan van hun elektronen. “Het zou beter zijn die elektronen mee te nemen, maar daar gaan we in de toekomst mee aan de slag.” Ook zonder die elektronen slaagden de onderzoekers er in, althans in simulatie, de waterstofkernen dicht genoeg bij elkaar te drijven met behulp van de nabije-infraroodfemtopulslaser om een ‘veldgebonden molecuul’ te vormen.

Muongekatalyseerd

“Al tientallen jaren bestuderen onderzoekers ook de muongekatalyseerde kernfusie”, zegt Martin Gruebele van de universiteit van Illinois. “Je moet bij een muon dan denken aan een ruim 200 keer zwaarder elektron. Het resultaat is dat de moleculaire bindingsafstand dan een factor 200 kleiner wordt, waardoor de kernen makkelijker samensmelten.”

“Helaas leven muonen niet eeuwig en levert die grotere efficiëntie niet het gewenste energieoverschot op. Als ultraviolette laserpulsjes net zo makkelijk te realiseren zijn als nabij-infrorode waarmee we hebben zitten rekenen, dan zou de kwantumsturing de muongekatalyseerde fusie over de drempel geholpen worden.”
Het rekenmodel van de onderzoekers werkt op kwantumniveau. In de kwantumwereld is het lastig de precieze locatie van deeltjes te bepalen en daarmee wordt het ook moelijk de laserpulsjes te richten. Wolynes: “Het is duidelijk dat de pulsjes een duidelijk vorm moeten hebben en veel frekwenties. Dat zullen we nog moeten zien uit te vissen, maar tritium is radioactief en niemand gaat tritium gebruiken als niet zeker is dat het gaat werken.”

Voor zowel Wolynes als Gruebele is kernfusie een uitstapje. Ze houden zich normaal bezig met het vouwen van eiwitten, celdynamica, nanomicroscopie en het zwemgedrag van vissen. “Uiteindelijk hebben we moed gevat en het is het waard er iets over te zeggen”, zegt Wolynes. “We beginnen niet met een bedrijf, nog niet, maar misschien bevat dit werk aspecten waar mensen wat mee kunnen, zodat het naar iets praktisch kan leiden, wellicht op de korte termijn.”

Bron: EurekAlert