Verhoging van fusieopbrengst via secundaire bundel‑doelreacties in laser-clusterexperimenten

Kleine zonnetjes aansteken in het lab

Fusie, het proces dat de zon aandrijft, vereist doorgaans enorme installaties of de inwendige delen van sterren. Deze studie onderzoekt een heel andere route: het gebruik van tafelblad‑ultrasnelle lasers en microscopische gasclusters om fusie in een compacte opstelling teweeg te brengen. De onderzoekers tonen aan dat het toevoegen van een eenvoudige vaste “schil” rond een laser‑gedreven fusiebron het aantal geproduceerde fusieneutronen aanzienlijk kan verhogen, wat de deur opent naar kleine laboratoriumexperimenten die omstandigheden nabootsen die lijken op die in sterren.

Hoe lasers clusters in fusiebrandstof veranderen

Bij laser‑clusterfusie raakt een krachtige, ultrakorte laserpuls een straal van microscopische clusters van gedeuterieerd methaangas, een vorm van methaan waarbij waterstof is vervangen door de zwaardere deuteriumisotoop. Het intense licht ontdoet de clusters van elektronen, waardoor positief geladen ionen achterblijven die elkaar heftig afstoten en een Coulomb‑explosie ondergaan. Die explosie katapulteert deuteriumionen naar tienduizenden elektronenvolt aan energie — genoeg voor paren deuteriumkernen om te fuseren en 2,45 MeV neutronen uit te zenden. Een deel van de fusie vindt plaats waar de clusters exploderen, wanneer energetische ionen op elkaar of op langzamere atomen in de gasstraal botsen.

Een omringend target toevoegen voor extra fusie

Het kernidee van dit werk is om de snel ontsnapte ionen uit de initiële fusiezone op te vangen en opnieuw te benutten. Het team omringde de clusterstraal met een C‑vormig blok gemaakt van gedeuterieerd plastic (CD2). Terwijl de hete deuteriumionen uitstomen van de exploderende clusters, duiken veel van hen in dit vaste target. Daar treffen ze grote aantallen deuteriumatomen aan die veel dichter op elkaar zitten dan in de gasstraal. Elk ion kan extra fusiereacties veroorzaken terwijl het in het vaste materiaal afremt, waardoor wat anders verloren deeltjes zouden zijn een tweede stadium van neutronproductie wordt.

Neutronen meten in een strijd tegen de klok

Om te bepalen hoeveel dit secundaire target helpt, hebben de onderzoekers nauwkeurig gemeten wanneer en hoeveel neutronen arriveerden bij detectoren die enkele meters verderop waren geplaatst. Omdat fusieneutronen met bekende snelheden reizen, onthult hun vlucht‑tijd wanneer en waar ze zijn ontstaan. Door vroege signalen van röntgenstraling weg te trekken en rekening te houden met kleine energiesspreidingen, is het team erin geslaagd neutronen uit het clustergebied te scheiden van die uit het toegevoegde CD2‑blok. Ze gebruikten ook een aparte detector om de energieën van de deuteriumionen te meten, en vonden ion"temperaturen" tussen ongeveer 60 en 100 kiloelectronvolt — een maat voor hoe energierijk de ionen zijn.

De temperatuur opvoeren om opbrengst te vergroten

Met het CD2‑target op zijn plaats steeg de neutronopbrengst per laserpuls sterk. Bij de laagste geteste ionenergieën verdubbelde het aantal neutronen ruwweg vergeleken met het geval met alleen clusters; bij de hoogste energieën rond 100 keV nam de opbrengst met ongeveer drieënhalf keer toe. Een tijdsafhankelijk model dat volgt hoe het hete plasma uitzet, hoe ionen afremmen en hoeveel reacties plaatsvinden in gas en vaste stof, kwam goed overeen met deze metingen. De analyse toont aan dat naarmate de ionenergie stijgt, elk ion meer kans krijgt om in het vaste target te fuseren, waardoor het relatieve voordeel van het toegevoegde CD2‑blok binnen het geteste bereik bijna lineair toeneemt.

Betekenis voor fusie en het heelal

Dit experiment laat een praktische manier zien om de neutronproductie in compacte laser‑gedreven fusieopstellingen aanzienlijk te versterken door het hoofd‑fusiegebied te omringen met een geschikt vast target. Naast het simpelweg produceren van meer neutronen is het concept flexibel: door het CD2‑blok te vervangen door andere materialen, zouden toekomstige experimenten veel verschillende kernreacties kunnen bestuderen onder goed gecontroleerde, laagenergetische omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die in sterren. In feite biedt laser‑clusterfusie gecombineerd met secundaire targets een kleinschalig, af te stemmen platform om te onderzoeken hoe kernen reageren en hoe vaak ze fuseren — informatie die cruciaal is voor het begrijpen van zowel potentiële fusiotechnologieën als de interne werking van astrofysische objecten.

Bronvermelding: Sim, J., Lee, S., Kim, Hi. et al. Fusion yield enhancement via secondary beam-target reactions in laser-cluster experiments. Sci Rep 16, 5633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35722-z

Trefwoorden: laser-clusterfusie, deuteriumfusie, neutronopbrengst, secundaire targets, astrofysische kernreacties