Intense laagfrequente lasers blijken kernfusie bij veel lagere temperaturen mogelijk te maken. Dat zet een fundamentele aanname in de fusiewereld op zijn kop.
Onderzoekers hebben een manier gevonden om kernfusie bij aanzienlijk lagere temperaturen te laten plaatsvinden. In plaats van steeds hogere temperaturen of krachtigere röntgenlasers na te streven, blijken juist intense laagfrequente lasers zoals near-infrared solid-state lasers verrassend effectief om kernfusie te stimuleren.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nuclear Science and Techniques, kunnen deze lasers helpen om de zogeheten Coulomb-barrière te overbruggen: de elektrische afstoting tussen atoomkernen die fusie normaal gesproken verhindert. Dat maakt fusie mogelijk bij energieën die tot nu toe als volstrekt onbruikbaar werden beschouwd.
Dé beperkende factor van kernfusie
Om twee lichte atoomkernen, zoals deuterium en tritium, te laten versmelten, moeten ze extreem dicht bij elkaar komen. Daarvoor zijn temperaturen van tientallen miljoenen graden nodig, zodat de kernen voldoende kinetische energie hebben om hun wederzijdse elektrische afstoting te overwinnen.
In bestaande fusieconcepten, van tokamaks tot stellerators, is dit dé beperkende factor. Elke methode draait uiteindelijk om één vraag: hoe krijgen we de temperatuur en druk hoog genoeg, stabiel genoeg en lang genoeg?
Kernfusie met lasers neemt drempel weg
De intuïtie zegt dat hoogenergetische fotonen, zoals röntgenstraling uit free-electron lasers, het meest geschikt zijn om fusieprocessen te beïnvloeden. Maar het nieuwe theoretische werk laat precies het tegenovergestelde zien.
Laagfrequente lasers hebben weliswaar minder energie per foton, maar ze maken multi-fotoninteracties mogelijk. Tijdens een botsing kunnen kernen een groot aantal van deze laagenergetische fotonen absorberen en weer uitzenden. Het resultaat: een verbreding van de effectieve botsingsenergie.
Die verbreding vergroot de kans op kwantumtunneling – het fenomeen waarbij deeltjes door een energiedrempel ‘lekken’ zonder die klassiek te overwinnen. En juist tunneling is cruciaal voor kernfusie bij lagere energieën.
Ordes van grootte winst in fusiekans
De onderzoekers gebruikten de bekende Deuterium-Tritium-reactie als referentie. Bij een botsingsenergie van slechts 1 keV – normaal gesproken veel te laag voor zinvolle fusie – blijkt laserondersteuning een enorm effect te hebben:
- Bij een laserintensiteit van 10²⁰ W/cm² neemt de fusiekans toe met drie ordes van grootte.
- Bij 5 x 10²¹ W/cm² loopt dit zelfs op tot negen ordes van grootte.
Praktisch betekent dit dat fusie bij 1 keV mét laserondersteuning even waarschijnlijk wordt als fusie bij 10 keV zonder lasers. Dat is een fundamentele verschuiving in hoe onderzoekers naar fusiecondities kunnen kijken.
Met andere woorden: een botsing die normaal bijna nooit tot fusie leidt, gebeurt nu duizenden tot miljarden keren vaker dankzij laserondersteuning.
Geen vervanging, maar aanvulling
Belangrijk is dat de lasers warmte niet vervangen, maar aanvullen. De laservelden fungeren als katalysator voor het tunnelingproces, terwijl thermische energie nog steeds een rol speelt.
Daarmee ontstaat een nieuw, verenigd raamwerk voor laser-ondersteunde fusie, toepasbaar op verschillende reacties en lasertypes – van röntgen free-electron lasers tot commercieel beschikbare solid-state lasers. Voor de fusiewereld is dit relevant, omdat het aansluit bij bestaande infrastructuur én toekomstige high-intensity laserfaciliteiten.
Van theorie naar realiteit
De huidige resultaten zijn theoretisch en gebaseerd op ideale systemen met twee botsende kernen. De volgende stap is daarom cruciaal: onderzoek naar realistische plasma’s, waarin laser-plasma-interacties, energieverlies en collectieve effecten een grote rol spelen.
Als ook daar vergelijkbare effecten optreden, kan dit de route naar praktisch bruikbare kernfusie aanzienlijk verkorten – niet door steeds heter te stoken, maar door slimmer gebruik te maken van het kwantumgedrag van materie.
Nieuwe richting voor fusietechnologie
Waar kernfusie vaak wordt gezien als “nog dertig jaar weg”, laat dit werk zien dat echte vooruitgang ook kan komen uit conceptuele doorbraken, niet alleen uit grotere reactoren of sterkere magneten.
De implicatie is helder: als intense lasers de temperatuurvereisten daadwerkelijk kunnen verlagen, verandert dat de ontwerpvrijheid van toekomstige fusie-installaties fundamenteel. En dat maakt deze studie meer dan academisch interessant – het kan een nieuwe richting aangeven voor de fusietechnologie van de komende decennia.
