Laagfrequent lasermodel biedt mogelijk kortere weg naar praktische kernfusie

Laagfrequent lasermodel biedt mogelijke kortere route naar praktische kernfusie

Wetenschappers zoeken al lang naar een manier om de intense elektrostatische afstoting tussen atoomkernen te overwinnen zonder uitsluitend te vertrouwen op de extreme temperaturen die in de kernen van sterren voorkomen. In een belangrijke theoretische vooruitgang gepubliceerd in het tijdschrift Nuclear Science and Techniques hebben onderzoekers een nieuw mechanisme voorgesteld dat gebruikmaakt van intense, laagfrequente laservelden om botsingsenergieën te manipuleren. Deze benadering vergemakkelijkt quantumtunneling, waardoor de immense fysieke en thermische barrières die momenteel de opwekking van schone, grenzeloze fusie-energie in de weg staan, mogelijk worden verlaagd.

De uitdaging van de Coulombbarrière

Het streven naar gecontroleerde kernfusie — het proces dat de zon van brandstof voorziet — wordt gekenmerkt door één enkel, ontzagwekkend obstakel: de Coulombbarrière. Omdat atoomkernen positief geladen zijn, oefenen ze een krachtige elektrostatische afstoting op elkaar uit. Om fusie te bereiken, moeten twee kernen dicht genoeg bij elkaar worden gebracht zodat de sterke kernkracht het kan overnemen en ze aan elkaar kan binden. Traditioneel vereist dit het verhitten van brandstof, zoals isotopen van waterstof, tot temperaturen van meer dan tientallen miljoenen graden Kelvin. Bij deze temperaturen bewegen de kernen met voldoende kinetische energie om hun wederzijdse afstoting te overwinnen.

Het handhaven van deze "zonsomstandigheden" op aarde brengt echter enorme technische uitdagingen met zich mee. Huidige methoden, zoals Magnetic Confinement Fusion (MCF) en Inertial Confinement Fusion (ICF), vereisen enorme energie-input om de plasmatoestand in stand te houden en te voorkomen dat de brandstof de wanden van de reactor raakt. De beperkingen van traditionele thermische verhitting zijn duidelijk: de energie die nodig is om deze temperaturen te bereiken is vaak vergelijkbaar met of groter dan de energie die door de reactie zelf wordt geproduceerd. Bijgevolg is de zoektocht naar een efficiëntere katalysator om de kloof tussen lage-temperatuurtoestanden en de fusiedrempel te overbruggen een prioriteit geworden voor theoretisch natuurkundigen.

Een nieuw theoretisch kader voor fusie

Een onderzoeksteam onder leiding van Assistant Professor Jintao Qi van de Shenzhen Technology University, samen met Professor Zhaoyan Zhou van de National University of Defense Technology en Professor Xu Wang van de Graduate School of the China Academy of Engineering Physics, heeft een overtuigend alternatief geïntroduceerd. Hun studie, getiteld "Theory of laser-assisted nuclear fusion", suggereert dat de brute kracht van thermische verhitting zou kunnen worden aangevuld — of misschien verzacht — door de strategische toepassing van intense laservelden. In tegenstelling tot traditionele benaderingen waarbij lasers primair worden gebruikt om brandstofpellets samen te persen, stelt dit kader voor om het laserveld te gebruiken om de quantumdynamica van de botsende kernen direct te wijzigen.

De studie belicht een verrassende bevinding met betrekking tot de laserfrequentie. Hoewel hoogfrequente lasers, zoals röntgen vrije-elektronenlasers, meer energie per foton bevatten, ontdekten de onderzoekers dat laagfrequente lasers — specifiek die in het nabij-infrarode spectrum — aanzienlijk effectiever zijn in het verhogen van de fusiesnelheid. Dit contra-intuïtieve resultaat komt voort uit het vermogen van laagfrequente systemen om "multi-fotonprocessen" aan te sturen. Onder deze omstandigheden kunnen de interagerende kernen tijdens een enkele ontmoeting een groot aantal fotonen absorberen en uitzenden, waardoor hun botsingsenergieverdeling effectief wordt hervormd op een manier die hoogfrequente fotonen niet kunnen evenaren.

De mechanica van quantumtunneling

De kern van deze ontdekking is het fenomeen van quantumtunneling. In het quantumrijk hebben deeltjes niet altijd genoeg energie nodig om over een potentiële energiebarrière te "rollen"; in plaats daarvan hebben ze een statistische kans om erdoorheen te "tunnelen". Door een extern laserveld aan te leggen, toonden de onderzoekers aan dat het mogelijk is om de effectieve botsingsenergieverdeling van de reagerende kernen te verbreden. In plaats van een smal energiebereik gedicteerd door de thermische omgeving, creëert het laserveld een bredere verdeling met aanzienlijk meer gewicht bij hogere effectieve energieën.

De wiskundige modellering door Assistant Professor Qi en zijn collega's laat zien dat de laser niet louter energie toevoegt; het wijzigt het potentiële landschap waarin de kernen zich bevinden. Deze "laserondersteunde" tunneling stelt kernen met relatief lage initiële kinetische energieën in staat om de Coulombbarrière te passeren met snelheden die voorheen onmogelijk werden geacht zonder enorme thermische versnelling. In wezen fungeert de laser als een quantumkatalysator, die de reactiedoorsnede — de waarschijnlijkheid dat een botsing in fusie resulteert — verhoogt zonder een evenredige stijging van de algehele temperatuur van het systeem te vereisen.

Het omzeilen van zonsomstandigheden

De kwantitatieve implicaties van dit model zijn opvallend. Met de deuterium-tritium (D-T) reactie als maatstaf berekenden de auteurs de impact van een laagfrequente laser met een fotonenergie van 1,55 eV. Voor botsingen bij 1 keV (een relatief lage energie in fusietermen) verhoogde een laserintensiteit van 10²⁰ W/cm² de fusiekans met drie ordes van grootte. Wanneer de intensiteit werd verhoogd naar 5 x 10²¹ W/cm², bereikte de verbetering een verbazingwekkende negen ordes van grootte vergeleken met een veldvrije omgeving.

In de praktijk betekent dit dat met de hulp van een intense laagfrequente laser een botsing van 1 keV een effectieve fusiedoorsnede zou kunnen bereiken die vergelijkbaar is met een botsing van 10 keV in een traditionele reactor. Door de energieverdeling van de kernen te manipuleren in plaats van uitsluitend te vertrouwen op thermische verhitting, suggereren de onderzoekers een mogelijke route om de kloof tussen experimentele omstandigheden en praktische fusie te verkleinen. Dit zou kunnen leiden tot een herontwerp van traagheidsinsluitingssystemen, waarbij de rol van de laser verschuift van eenvoudige compressie naar een meer genuanceerde manipulatie van nucleaire interacties.

Een uniform kader voor laser-kernfysica

Het werk ordent het laserondersteunde fusiegedrag in een uniform theoretisch kader dat een breed scala aan frequenties en intensiteiten omvat. Volgens de auteurs toont dit kader aan dat intense laservelden in principe de strikte temperatuurvereisten die gepaard gaan met gecontroleerde fusie kunnen versoepelen, terwijl ze nog steeds gebruikmaken van conventionele brandstofcycli. Deze bijdrage is bijzonder waardevol voor het opkomende veld van de laser-kernfysica en biedt een routekaart voor hoe licht-materie-interacties kunnen worden gebruikt om processen te beheersen die traditioneel voorbehouden zijn aan de hoogenergetische omgevingen van deeltjesversnellers of het binnenste van sterren.

De onderzoekers benadrukken dat hun huidige model zich richt op een geïdealiseerd tweelichamensysteem. Deze vereenvoudiging was nodig om het fundamentele mechanisme van door de laser hervormde tunneling te isoleren en te begrijpen. Ze erkennen echter dat de overgang van theorie naar een functionerende reactor complex zal zijn. "Realistische fusieplasma's omvatten veellichameneffecten, complexe laser-plasmainteracties en verschillende kanalen voor energiedissipatie", aldus het team in hun rapport. Deze factoren moeten zorgvuldig in het model worden geïntegreerd om te bepalen hoe deze verbeteringen zich gedragen in een dichte, turbulente plasma-omgeving.

Routekaart naar experimentele validatie

De volgende fase van dit onderzoek omvat de overgang van het geïdealiseerde vacuüm van de theoretische fysica naar de complexe realiteit van laboratoriumtests. De onderzoekers wijzen op de snelle wereldwijde uitbreiding van laserfaciliteiten met een hoge intensiteit als primaire motivator voor hun werk. Faciliteiten die in staat zijn de intensiteiten te bereiken die in de studie worden beschreven — zoals de Extreme Light Infrastructure (ELI) in Europa of verschillende krachtige laserlaboratoria in China en de Verenigde Staten — zouden binnenkort kunnen worden gebruikt om deze voorspelde toenames in fusiewaarschijnlijkheid te valideren.

Toekomstig werk zal zich richten op het uitbreiden van de theorie met "collectief gedrag" en "afschermingseffecten" binnen een plasma. In een echte reactor kan de aanwezigheid van andere elektronen en ionen de kernen afschermen, wat mogelijk invloed heeft op hoe het laserveld interageert met de individuele fusiepartners. Als de voorspelde verbeteringen van drie tot negen ordes van grootte standhouden in deze complexere omgevingen, zou het pad naar commerciële fusie-energie aanzienlijk kunnen worden verkort. Door theoretische begeleiding te bieden voor het ontwerp van toekomstige experimenten, heeft het team uit Tokio, Shenzhen en de China Academy of Engineering Physics de basis gelegd voor een mogelijke paradigmaverschuiving in de manier waarop we de "heilige graal" van schone energie benaderen.

Conclusie en toekomstige richtingen

De studie vertegenwoordigt een spil in de strategie van het fusieonderzoek: weg van de brute toepassing van hitte en naar de precisie-manipulatie van quantumtoestanden. Als intense, laagfrequente lasers inderdaad kunnen fungeren als een "kortere route" door de Coulombbarrière, zouden de technische vereisten voor toekomstige reactoren aanzienlijk minder belemmerend kunnen worden. Hoewel de weg naar een koolstofvrij, door fusie aangedreven elektriciteitsnet nog lang is, bieden theoretische instrumenten zoals die ontwikkeld door Professor Qi en zijn collega's de noodzakelijke coördinaten voor de volgende generatie experimentele natuurkundigen om te volgen.