Pulsermodule: de energieklap die kernfusie moet ontsteken
Een pulsermodule is een elektronisch systeem dat energie langzaam opslaat en die vervolgens in één ontzettend korte, extreem krachtige klap weer vrijgeeft. Denk aan de flitser van een ouderwetse camera: die laadt zich in een paar seconden op uit een klein batterijtje, en ontlaadt zich dan in een fractie van een milliseconde in een felle lichtflits. Een pulsermodule doet in principe hetzelfde, maar dan miljoenen tot miljarden keren krachtiger, en met als doel niet een foto te belichten, maar piepkleine hoeveelheden waterstof zo hard samen te persen dat er kernfusie ontstaat.
Kernfusie is het proces waarbij lichte atoomkernen samensmelten tot een zwaardere kern, waarbij energie vrijkomt — hetzelfde proces dat de zon laat schijnen. Om dat op aarde voor elkaar te krijgen, moet brandstof extreem heet en dicht worden gemaakt, al is het maar voor een oogwenk. Pulsermodules zijn de "drukkers op de knop": ze leveren de korte, hevige stoot energie (in de vorm van elektrische stroom, magnetische velden of laserlicht) die nodig is om die samenpersing te laten gebeuren.
Wat is het precies?
De kern van een pulsermodule is simpel in opzet, maar lastig in uitvoering: energie wordt over een langere tijd — seconden tot minuten — opgeslagen in grote condensatorbanken (elektrische "batterijen" die snel kunnen laden en lossen) of in ronddraaiende zware wielen (vliegwielen). Op het juiste moment wordt een schakelaar geopend, vaak een zogeheten vonkbrug (spark gap), die de opgeslagen energie in één keer doorlaat.
Die energie wordt vervolgens gecomprimeerd in tijd via pulsvormende lijnen: elektrische circuits die de puls steeds korter en krachtiger maken naarmate hij dichter bij het doelwit komt. Uiteindelijk ontstaat een stroompuls die maar enkele nanoseconden (miljardsten van een seconde) duurt, maar wel tientallen miljoenen ampère sterk kan zijn — vele malen meer dan door een bliksemschicht stroomt.
Die stroompuls wordt op een van drie manieren gebruikt. Bij laserfusie wordt de elektrische energie eerst omgezet in laserlicht, dat vanuit honderden richtingen tegelijk op een miniem bolletje brandstof wordt gericht. Bij zogeheten z-pinch-technieken wordt de stroom direct door een dunne draad of cilinder gestuurd, waardoor een sterk magnetisch veld ontstaat dat de brandstof naar binnen "knijpt". En bij magnetische compressietechnieken wordt de puls gebruikt om een reeds bestaand plasma (elektrisch geladen, superheet gas) mechanisch of magnetisch samen te persen.
Het lastigste onderdeel is timing: alle energie moet met een nauwkeurigheid van nanoseconden gelijktijdig aankomen, anders wordt de brandstof scheef samengeperst in plaats van symmetrisch, en mislukt de fusiereactie.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel van veel van dit onderzoek is een fusiecentrale: een energiebron die, in theorie, enorme hoeveelheden stroom kan leveren zonder CO2-uitstoot, zonder het langlevende radioactieve afval van kernsplijting, en met brandstof (isotopen van waterstof) die in vrijwel onbeperkte mate uit zeewater te winnen is. Pulsed-power-fusie — ook wel inertial confinement fusion (opsluiting door traagheid) genoemd — is een van de twee hoofdroutes daarnaartoe, naast magnetische opsluiting in ringvormige reactoren zoals tokamaks.
Daarnaast dient dezelfde technologie een tweede, minder aan energie gerelateerd doel: het bestuderen van materie onder extreme druk en temperatuur, vergelijkbaar met condities in sterren of bij een kernwapenexplosie. In de Verenigde Staten en Frankrijk zijn de grootste pulsed-power-faciliteiten dan ook mede gefinancierd vanuit programma's voor het onderhoud van kernwapenarsenalen, omdat er sinds de jaren negentig geen testexplosies meer worden uitgevoerd en deze machines een veilig laboratoriumalternatief bieden om de werking van kernwapens te blijven begrijpen.
Voorbeelden uit de praktijk
De National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië gebruikt 192 lasers die hun energie bundelen in pulsermodules om een goudkleurige capsule met brandstof te verhitten. Op 5 december 2022 meldde NIF voor het eerst "ignition": de fusiereactie leverde meer energie op (ongeveer 3,15 megajoule) dan de laserpulsen erin hadden gestopt (ongeveer 2,05 megajoule). Dat was een wetenschappelijke doorbraak, al ging het om de energie in de laserstraal, niet om de totale elektriciteit die het hele gebouw verbruikte om die laser af te vuren — die was vele malen hoger.
De Z Machine van Sandia National Laboratories in New Mexico is de grootste pulsed-power-machine ter wereld en levert stroompulsen tot enkele tientallen miljoenen ampère om metalen draadjes te laten imploderen (de z-pinch-methode). Na een grondige renovatie, afgerond in 2007, ging de machine verder als "ZR" (Z Refurbished) en wordt sindsdien gebruikt voor zowel fusie-onderzoek als kernwapenonderzoek.
Het Franse CEA bouwde bij Bordeaux de Laser Mégajoule (LMJ), een zusterfaciliteit van NIF die op vergelijkbare wijze laserpulsen inzet, eveneens deels voor het Franse kernwapenprogramma en deels voor civiel fusie-onderzoek.
Bij het Britse bedrijf First Light Fusion uit Oxfordshire wordt geen laser of elektrische stroom gebruikt, maar een projectiel: een pulsermodule schiet een klein object met hoge snelheid op een brandstofcapsule af. In 2022 maakte het bedrijf bekend met hun "Machine 3" voor het eerst fusieneutronen te hebben gemeten, een signaal dat er daadwerkelijk fusie had plaatsgevonden.
Het Amerikaanse Helion Energy (Everett, Washington) laat twee plasmawolkjes (field-reversed configurations) met hoge snelheid op elkaar botsen en perst ze vervolgens magnetisch pulserend samen. In mei 2023 sloot Microsoft een overeenkomst met Helion voor de afname van elektriciteit vanaf naar verluidt 2028 — een zeer ambitieus tijdpad dat door onafhankelijke experts met scepsis wordt bekeken, aangezien geen enkele pulsed-power-fusiemachine tot nu toe netto elektriciteit heeft opgewekt.
Hoe ver is de techniek?
De doorbraak bij NIF eind 2022 was een belangrijke mijlpaal: voor het eerst leverde een fusiereactie op aarde meer energie op dan er direct instroomde. Sindsdien zijn er bij NIF herhalingen geweest met wisselend succes, wat laat zien dat het proces nog verre van betrouwbaar herhaalbaar is.
Het grootste obstakel voor een echte energiecentrale is niet zozeer het opwekken van één fusiereactie, maar het dat tientallen keren per seconde herhalen, jarenlang achtereen, met machines die dat qua materiaalslijtage en kosten aankunnen. Huidige pulsermodules zoals die van NIF en de Z Machine zijn gebouwd voor onderzoek en vuren doorgaans hooguit een paar keer per dag af — ver verwijderd van de herhaalsnelheid die een centrale nodig heeft.
Ook de energiebalans is nog een probleem: zelfs bij NIF's "ignition" was de totale elektriciteitsvraag van de faciliteit (om de lasers op te laden) vele malen groter dan de fusie-energie die vrijkwam. Er is dus nog een lange weg te gaan voordat dit soort systemen netto stroom aan het net kunnen leveren. Vrijwel alle experts, inclusief die bij de betrokken laboratoria, schatten dat commerciële pulsed-power-fusiecentrales op zijn vroegst over enkele decennia haalbaar zijn, met flinke onzekerheidsmarges.
Ter vergelijking: bij de andere hoofdroute naar fusie, magnetische opsluiting in tokamaks zoals het internationale ITER-project in Frankrijk, gaat het niet om nanoseconde-pulsen maar om plasma dat honderden seconden tot uiteindelijk continu moet blijven bestaan. Dat is technisch een ander probleem dan het pulsermodule-vraagstuk, al delen beide routes de uitdaging van herhaalbaarheid en materiaalbestendigheid.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn het Lawrence Livermore National Laboratory (NIF) en Sandia National Laboratories (Z Machine) de belangrijkste overheidsspelers, beide gefinancierd via het Amerikaanse ministerie van Energie en het National Nuclear Security Administration. Daarnaast zijn er particuliere bedrijven actief zoals Helion Energy, TAE Technologies en Focused Energy, die met durfkapitaal en partnerships (zoals die met Microsoft) proberen sneller tot een commerciële centrale te komen.
In het Verenigd Koninkrijk werkt First Light Fusion aan de projectielmethode, mede ondersteund door het overheidsagentschap UK Atomic Energy Authority. Canada kent General Fusion, dat een aanpak met pulserende zuigers rond een vloeibaar-metalen vortex ontwikkelt en samenwerkt met onderzoekscentra in het Verenigd Koninkrijk voor een demonstratiefaciliteit.
Frankrijk brengt via het CEA (Commissariat à l'énergie atomique) de Laser Mégajoule-faciliteit in, terwijl China eigen laserfusie-installaties bouwt (onder meer de Shenguang-serie) die qua opzet op NIF lijken. Internationaal wordt fusie-onderzoek ook gecoördineerd via het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA), al richt het grote ITER-samenwerkingsverband zich specifiek op de andere, magnetische route.