China heeft voor het eerst gecontroleerde kernfusie bereikt in een draagbaar apparaat – een technologische doorbraak mogelijk gemaakt door een nieuwe generatie supergeleidende versnellers.
Voor het eerst is het Chinese onderzoekers gelukt om kernfusie tussen waterstof en lithium te realiseren in een compact, mobiel systeem – zonder de noodzaak van een gigantische reactor. De sleutel tot deze prestatie ligt in de ontwikkeling van een geavanceerde supergeleidende cryomodule met zogeheten double-spoke caviteiten.
Deze technologie is essentieel voor de uitbreiding van de China Spallation Neutron Source (CSNS), een van ’s werelds krachtigste neutronenbronnen voor fundamenteel natuurkundig en materiaalkundig onderzoek. Maar dat is niet alles: de vooruitgang op het gebied van versnellertechnologie leidde ook tot een onverwachte, maar spectaculaire doorbraak op het vlak van kernfusie.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nuclear Science and Techniques, werd deze technologie oorspronkelijk ontwikkeld als onderdeel van de upgrade van China’s grootste neutronenbron, maar bleek ze ook cruciaal voor het mogelijk maken van fusie in een veel kleinere opstelling.
Kernfusie tussen waterstof en lithium
Midden juni maakten Chinese onderzoekers bekend dat zij gecontroleerde kernfusie tussen waterstof en lithium hebben gerealiseerd in een draagbaar apparaat. Een primeur in de geschiedenis van fusie-energie. Traditioneel zijn hiervoor enorme installaties zoals tokamaks of lasergebaseerde fusie-installaties nodig, maar deze prestatie suggereert dat compacte en efficiënte fusie-opstellingen op termijn haalbaar worden.
Hoewel er nog weinig details bekend zijn over het fusie-apparaat, suggereert het onderzoek dat de geavanceerde cryogene koeltechnologie en de precisie van de nieuwe double-spoke caviteit een belangrijke rol spelen. Dit kan op lange termijn leiden tot praktische toepassingen, zoals kleinere neutronenbronnen voor medische isotopenproductie of zelfs mobiele energiebronnen.
Nieuwe standaard in cryotechniek
De double-spoke supergeleidende caviteit vormt het hart van het nieuwe cryomodule-systeem. Bij tests met pulsen van 4 milliseconden bij een frequentie van 25 Hz bereikten de twee caviteiten indrukwekkende versnellergradiënten van respectievelijk 12,8 en 15,2 megavolt per meter. Ter vergelijking: dat zijn waarden die eerder alleen in geavanceerde laboratoria in de VS of Europa werden gehaald.
De caviteit is ontworpen met drie expliciete doelen: verlaging van het piek-elektrisch veld, onderdrukking van ‘multipacting’ (een fenomeen waarbij elektronen zichzelf versterken en de werking verstoren), en vereenvoudigde productie. Dit alles zonder in te leveren op prestaties.
Unieke polijsttechniek
Vanwege de complexe geometrie van de double-spoke caviteit ontwikkelde het team een innovatieve chemische polijsttechniek die zorgt voor gelijkmatige zuurbehandeling van het inwendige oppervlak. Dit resulteerde in extreem hoge kwaliteitsfactoren (Q-waarden), boven de 3,4 × 10¹⁰ bij een versnellergradiënt van 9 MV/m – een maat voor hoe weinig energie verloren gaat aan weerstand.
Zo’n hoge Q-waarde betekent dat de caviteit efficiënter werkt en minder externe energie nodig heeft om deeltjes tot hoge snelheden te versnellen. Dit maakt de technologie ook interessanter voor toekomstige toepassingen buiten het laboratorium.
Lichter, stabieler en efficiënter
De cryomodule waarin de caviteiten zijn ondergebracht is eveneens baanbrekend. Het vacuümkamergedeelte is opgehangen met koolstofvezel trekstangen, die niet alleen warmteverlies minimaliseren maar ook positioneringsstabiliteit bieden bij cryogene temperaturen. Een nauwkeurige koeling is immers cruciaal voor het behoud van supergeleiding.
Daarbij past het team een nieuw ontwikkeld koelingsproces toe, waarin ze de afkoelsnelheid nauwkeurig regelen. Uit tests blijkt dat een langzame, gecontroleerde afkoeling de prestaties van de caviteit verbetert, vermoedelijk doordat dit thermische spanningen en vervuiling minimaliseert. Dit draagt direct bij aan de betrouwbaarheid van de cryomodules bij langdurige operaties.
CSNS II
De CSNS, gelegen in Dongguan, is momenteel de vierde pulsed neutronenbron ter wereld en haalde in 2020 al zijn oorspronkelijke doelvermogen van 100 kilowatt. De uitbreiding naar CSNS-II, gestart in 2024, zal dit aanzienlijk vergroten. De vernieuwing omvat een geavanceerde lineaire versneller (linac) met een radiofrequentie-ionenbron, en een supergeleidende sectie met double-spoke en zes-cellige elliptische caviteiten.
De ontwikkeling van de double-spoke caviteit begon in 2021 en de eerste twee prototypes (werkend op 324 MHz) waren begin 2023 operationeel. De succesvolle ingebruikname van een complete cryomodule in 2025 betekent een sleutelmoment voor het project – en voor China’s positie in internationale versnellingsfysica.
Kernfusie en compacte versnellers
De verwevenheid van versnellertechnologie en kernfusieonderzoek is steeds groter aan het worden. Waar vroeger versnellers vooral werden gezien als ‘hulptechniek’ voor fundamenteel onderzoek, blijkt nu dat innovaties in deze systemen direct bijdragen aan de ontwikkeling van alternatieve energiebronnen. De recente fusiedoorbraak in een draagbaar systeem bewijst dat krachtige versnellers niet per se kolossaal hoeven te zijn.
Als China dit tempo aanhoudt, zou het land niet alleen kunnen uitgroeien tot wereldleider in neutronentechnologie, maar ook in de race naar commerciële kernfusie. De inzet op precisie, schaalbaarheid en efficiëntie – zichtbaar in deze cryomodule – zou wel eens het verschil kunnen maken.
Dit artikel beschrijft een recente ontwikkeling in China waarbij gecontroleerde kernreacties tussen waterstof en lithium zijn bereikt in een compact apparaat, volgens rapporten van de South China Morning Post. Deze technologie vertegenwoordigt een doorbraak in neutronengeneratie met potentiële toepassingen in wetenschap, industrie en defensie. Het apparaat is echter geen conventionele kernfusie-installatie zoals een tokamak, maar een innovatief neutronenbron-systeem gebaseerd op een compacte versneller met een uniek elektromagnetisch proces. De resultaten zijn veelbelovend maar voorlopig en nog niet volledig geverifieerd door onafhankelijke wetenschappelijke publicaties. De implicaties voor energieproductie of bewapening zijn nog onduidelijk en niet bevestigd.
