Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory hebben een energiezuinigere manier berekend om een fusieplasma tot zelfonderhoudende verbranding te brengen. De sleutel is verrassend eenvoudig: eerst sterk verhitten, daarna pas de dichtheid opvoeren. Maar zelfs een spoortje wolfraam kan die winst grotendeels tenietdoen.
Een zelfvoorzienend fusieplasma bereiken hoeft mogelijk minder energie te kosten dan tot nu toe gedacht. Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hebben een nieuwe route naar ‘ignition’ berekend: eerst het plasma sterk verhitten en pas daarna de dichtheid opvoeren. Die aanpak kan belangrijke gevolgen hebben voor het ontwerp van toekomstige fusiereactoren. De studie werd gepubliceerd in Physical Review Letters.
Lawson-criterium krijgt praktische routekaart
Al sinds de jaren vijftig gebruiken fusieonderzoekers het Lawson-criterium om te bepalen wanneer een plasma heet en dicht genoeg is en lang genoeg opgesloten blijft om zichzelf via kernfusie te verwarmen. Het probleem: het criterium vertelt waar de eindstreep ligt, maar niet hoe je daar het efficiëntst komt.
Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono en Jonathan Menard van PPPL hebben daarom een uitgebreider model ontwikkeld. Daarin combineren ze het klassieke Lawson-criterium met onder meer warmteverlies, straling, helium-as en verontreinigingen uit de reactorwand. Het resultaat is eerder een routekaart naar ontsteking dan alleen een minimale grenswaarde.
Eerst heet maken, daarna brandstof toevoegen
Veel reactorconcepten proberen eerst een relatief dicht plasma te creëren en vervolgens de temperatuur verder op te voeren. Volgens de berekeningen is dat energetisch niet de gunstigste route.
Het alternatief loopt via het zogeheten Cordey-zadel: het laagste punt in de theoretische energiedrempel tussen een plasma dat externe verwarming nodig heeft en een brandend plasma dat zichzelf in stand houdt.
De essentie is opvallend eenvoudig: eerst verwarmen, daarna meer brandstof toevoegen. Vergelijk het met een bergpas. Recht over de top klimmen kan, maar een route om de berg heen kost aanzienlijk minder energie.
Spoortje wolfraam heeft grote gevolgen
Het model laat tegelijkertijd zien hoe gevoelig toekomstige reactoren zijn voor verontreinigingen. Wolfraam is populair als wandmateriaal omdat het bestand is tegen extreme temperaturen. Maar wanneer slechts één op de 10.000 plasmadeeltjes uit wolfraam bestaat, kan volgens PPPL ongeveer twee keer zoveel plasmadruk nodig zijn om ontsteking te bereiken.
Dat is relevant voor toekomstige tokamaks met extreem sterke magneetvelden. Hogere vereiste plasmadruk betekent namelijk ook dat de reactor sneller tegen magnetohydrodynamische stabiliteitsgrenzen kan aanlopen. De onderzoekers laten zien dat dit effect in een realistische driedimensionale reactor nog problematischer kan worden.
Nog puur theorie
Een reactor die volgens het traditionele Lawson-criterium haalbaar lijkt, kan met stralingsverliezen, wandverontreiniging en echte plasmadynamica alsnog buiten het bruikbare gebied vallen.
Mogelijke oplossingen zijn er eveneens. Vloeibaar lithium kan voorkomen dat wolfraam het plasma binnendringt, terwijl spin-gepolariseerde fusiebrandstof de reactiesnelheid kan verhogen.
Voorlopig gaat het om theoretisch werk. Geen bestaand experiment bereikt de omstandigheden van de berekende optimale route. Maar als digitale en toekomstige fysieke experimenten het model bevestigen, kan de vraag bij fusieontwerp veranderen van “kunnen we ignition bereiken?” naar “wat is de goedkoopste en stabielste route ernaartoe?”.
