Twee onderzoeksinstellingen bundelen hun krachten rond laserontwerp en -simulatie. Dit doen ze om laserontstoken inertiële fusie succesvol van de experimentele fase naar industriële toepassing te brengen en geschikt te maken voor bijvoorbeeld een energiecentrale. In het project ICONIC-FL (International Cooperation on Next-gen Inertial Confinement Fusion Lasers) werken het Amerikaanse Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en het Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Duitsland, nauw samen om hun geavanceerde lasersimulatiemodellen te combineren.
Doel van de samenwerking is de ontwikkeling van hoogenergetische lasers die een fusiereactie kunnen ontsteken en 24/7 met maximale efficiëntie in een energiecentrale kunnen worden gebruikt. Dit vereist nauwkeurige en zeer accurate voorspellingen van de laserprestaties. Daarom spelen krachtige computersimulaties een centrale rol in de ontwikkeling van laserarchitectuur.
Van experiment naar energiecentrale
Bij de National Ignition Facility (NIF) richtten de ingenieurs zich op het oplossen van plasmafysische vraagstukken. Denk aan vraagstukken over de omstandigheden die nodig zijn om de fusiebrandstof deuterium-tritium tot meer dan 100 miljoen graden te verwarmen, extreem samen te persen en een zichzelf in stand houdende fusiereactie op gang te brengen. Wanneer dit gebeurt, komt er meer energie vrij dan er van buitenaf door lasers in de brandstofcapsule – het doelwit – wordt ingebracht.
Efficiënte diodegepompte vaste-stoflasers
Sinds de doorbraak eind 2022 heeft LLNL meerdere keren aangetoond dat het fysische principe werkt, met een steeds hogere energieopbrengst. Een enkele ontsteking is echter niet voldoende voor een toekomstige energiecentrale. De centrale zal ongeveer 15 schoten per seconde (!) nodig hebben. Hiervoor zijn efficiënte diodegepompte vaste-stoflasers (DPSSL) nodig die tientallen keren per seconde kunnen vuren.
Laserzwaargewichten
Twee laserzwaargewichten, LLNL en Fraunhofer ILT, bundelen nu hun complementaire expertise om deze lasers te ontwikkelen: terwijl LLNL tientallen jaren ervaring in hoogenergetische lasertechnologie inbrengt, is het in Aken gevestigde instituut wereldwijd toonaangevend in de ontwikkeling en industriële opschaling van DPSSL’s.
Virtuele stresstest voor de hardware van morgen
Het laserontwerp moet in simulaties worden gevalideerd voordat er dure prototypes kunnen worden gebouwd. In het ICONIC-FL-project (International Cooperation on Next-gen Inertial Confinement Fusion Lasers) streven de partners het gemeenschappelijke doel na om de versterkingsfasen van hoogenergetische lasers zo gedetailleerd mogelijk te simuleren en zo de basis te leggen voor een later ontwerp. Ze richten zich op het hart van het systeem: de laserversterkers.
Laserversterkers
Laserversterkers versterken een aanvankelijk kleine laserpuls tot de laserenergieën die nodig zijn voor fusie. In deze laserpulsen brengen de fotonen een energie van vele miljoenen joules over. De lasermedia die hiervoor worden gebruikt, bestaan uit stapels laserglas of kristalplaten met een oppervlakte tot 40 cm x 40 cm en een dikte van enkele millimeters; ze worden tijdens het gebruik gekoeld met transparante koelmedia. De versterkerplaten worden blootgesteld aan enorme thermische en optische belasting.
Kleine effecten, grote impact
“24/7-bedrijf leidt tot verhitting, brekingseffecten en aberraties die de laserstraal kunnen verstoren. Zelfs de kleinste, onvoorspelbare effecten zijn hier significant en leiden tot efficiëntieverlies of directe schade aan de optica. We willen precies begrijpen wat er in elke afzonderlijke plaat gebeurt, zodat we vervolgens complexe plaatstapels nauwkeurig kunnen simuleren”, legt Johannes Weitenberg, projectmanager bij Fraunhofer ILT, uit.
In deze trans-Atlantische samenwerking zullen we de technologische basis voor de fusie-energiecentrale op efficiënte wijze consoliderenTammy Ma, hoofd fusieonderzoek bij LLNL
Onafhankelijke kruisvalidatie: veiligheid door twee modellen
In het onderzoeksproject zullen de partners hun respectieve simulatieoplossingen, die ze in de loop van vele jaren hebben ontwikkeld, zorgvuldig samenvoegen om steeds gedetailleerdere en realistischere simulaties te verkrijgen. Ze zullen de simulaties systematisch vergelijken en kruisvalideren zonder de daadwerkelijke code uit te wisselen. “Het gaat er niet om de simulatiemodellen samen te voegen, maar om van elkaar te leren en onze resultaten dubbel te controleren”, verduidelijkt Weitenberg.
Robuust en betrouwbaar
Deze methodische aanpak is vanuit wetenschappelijk, technisch en economisch oogpunt uiterst waardevol: de partners kunnen garanderen dat hun gesimuleerde voorspellingen uiterst robuust en betrouwbaar zijn door hun respectieve codes – die in verschillende toepassingsgebieden tot volwassenheid zijn ontwikkeld – onafhankelijk van elkaar op hetzelfde ontwerp toe te passen. Deze aanpak kan de ontwikkeling van lasers voor een echte energiecentrale aanzienlijk versnellen en kostbare misstappen in een miljardenproces voorkomen.
Verlagen van financiële risico’s
De samenwerking combineert de geavanceerde expertise van beide instituten, die zij sinds de jaren negentig systematisch hebben opgebouwd en verdiept, om de ontwikkelingstijd aanzienlijk te verkorten. Door de ontwerpen in de simulatie te valideren, vermijden de partners niet alleen technische, maar ook enorme financiële risico’s: met tot wel 400 straalbanen in toekomstige energiecentrale ontwerpen kan zelfs het kleinste over het hoofd geziene detail bij de overgang naar serieproductie aanzienlijke kosten met zich meebrengen.
Strategisch partnerschap voor schone energie
“De overgang van fundamenteel onderzoek naar de ontwikkeling van energiecentrales vereist een snelle, robuuste ontwikkeling van nieuwe, robuuste lasersystemen. De expertise van Fraunhofer ILT op het gebied van industriële schaalvergroting van diodegepompte lasers is cruciaal voor het versnellen van ons IFE-programma. In deze trans-Atlantische samenwerking zullen we de technologische basis voor de fusie-energiecentrale op efficiënte wijze consolideren“, legt Tammy Ma, hoofd fusieonderzoek bij LLNL, uit.
Basis voor energiecentrale van de toekomst
Prof. Constantin Häfner, uitvoerend vicevoorzitter voor onderzoek en overdracht bij de Fraunhofer-Gesellschaft, benadrukt: ”We bevinden ons in het beslissende decennium voor fusie-energie. Om het volledige potentieel van inertiële fusie te benutten, moeten we nieuwe laserarchitecturen ontwikkelen met compromisloze perfectie. De combinatie van de expertise van LLNL met de industriële schaalbaarheidsexpertise van Fraunhofer en zijn instituut ILT is een krachtig antwoord op deze uitdaging. Hier leggen we de basis de energiecenetrale van de toekomst.”
Klimaatneutrale elektriciteit
Fusie-energiecentrales zouden 24/7 concurrerende, klimaatneutrale elektriciteit kunnen opwekken, waardoor ze een belangrijke aanvulling vormen op de volatiele hernieuwbare energiebronnen. Met ICONIC-FL leggen Duitsland en de VS gezamenlijk de wiskundige basis voor deze toekomstige technologie.
Openingsfoto: Tijdens de bouw van de National Ignition Facility (NIF) werd ter plaatse een productielijn opgezet, speciaal voor de productie van de laserglasplaten. (foto: Lawrence Livermore National Laboratory)
Bron: Fraunhofer ILT
