Kernfusie belooft vrijwel onuitputtelijke energie, maar de extreme hitte in een fusiereactor vormt nog altijd een enorme technische uitdaging. Amerikaanse en Japanse onderzoekers gaan daarom een nieuw systeem testen dat de hitte beter moet afvoeren. Een opvallende verandering in de vorm van het plasma speelt daarbij de hoofdrol.
In de Amerikaanse DIII-D National Fusion Facility in Californië werken onderzoekers samen met het Japanse technologiebedrijf Kyoto Fusioneering aan een speciaal afvoersysteem voor fusiereactoren. Het systeem wordt ingebouwd in een bestaande tokamak, een donutvormige reactor waarin krachtige magnetische velden extreem heet plasma vasthouden.
Het doel is een van de grootste obstakels voor commerciële kernfusie aan te pakken: hoe voer je enorme hoeveelheden warmte af zonder dat de reactorwand beschadigd raakt?
Plasma van 100 miljoen graden
Om atoomkernen te laten samensmelten, moet het plasma temperaturen bereiken van meer dan 100 miljoen graden Celsius. Magnetische velden voorkomen dat dit plasma rechtstreeks tegen de reactorwand botst.
Toch ontsnappen voortdurend energie en deeltjes uit het plasma. Vooral de divertor, het onderdeel dat warmte en deeltjes afvoert, krijgt daardoor enorme thermische belastingen te verwerken. Wanneer materialen te snel slijten of beschadigd raken, wordt langdurige elektriciteitsproductie economisch onaantrekkelijk.
Omgekeerde D-vorm kan het verschil maken
De onderzoekers zetten in op een techniek die negative triangularity wordt genoemd. Daarbij krijgt de dwarsdoorsnede van het plasma een omgekeerde D-vorm.
Die geometrie heeft een opmerkelijk voordeel: bepaalde plasma-instabiliteiten die plotselinge hittepieken veroorzaken, worden onderdrukt. Bovendien kan een groter deel van de warmte geleidelijk via straling worden afgevoerd. Dat betekent mogelijk minder slijtage aan reactoronderdelen en minder complexe koelsystemen.
De aanpak is niet volledig nieuw. Eerdere experimenten bij DIII-D lieten al veelbelovende resultaten zien. Wat ontbreekt, is een uitgebreide test met een divertor die representatief is voor toekomstige commerciële reactoren.
Japanse hittetegels moeten technologie bewijzen
Kyoto Fusioneering gaat speciaal ontworpen, hittebestendige tegels produceren voor de nieuwe divertor. Samen met onderzoekers van DIII-D en Columbia University wordt vervolgens onderzocht hoe het systeem functioneert onder realistische experimentele plasmaomstandigheden. Daarbij kijken wetenschappers onder meer naar warmtebelasting, plasmastabiliteit en de wisselwerking tussen plasma en materialen.
Cruciaal is dat de hete plasmakern voldoende energie vasthoudt, terwijl de buitenste plasmalaag genoeg afkoelt om reactoronderdelen te beschermen. Beide doelen tegelijk bereiken is aanzienlijk moeilijker dan ze afzonderlijk optimaliseren.
Nog geen doorbraak, wel een belangrijke stap
De experimenten betekenen niet dat commerciële kernfusie direct binnen bereik komt. Toekomstige centrales moeten ook langdurige neutronenbelasting, materiaalveroudering en de productie van voldoende netto-elektriciteit aankunnen. Toch kan deze samenwerking belangrijk blijken. Als de omgekeerde plasmavorm de thermische belasting daadwerkelijk beperkt, kunnen toekomstige reactoren eenvoudiger, betrouwbaarder en mogelijk goedkoper worden.
De onderzoeksresultaten worden gedeeld binnen het internationale DIII-D-programma, zodat ook andere ontwikkelaars van kernfusiecentrales ervan kunnen profiteren.
