Britse onderzoekers hebben met de experimentele fusiemachine MAST Upgrade de hoogste plasmadruk tot nu toe in deze installatie bereikt. Op zichzelf is dat al interessant, maar belangrijker is dat het plasma daarbij stabiel bleef. Precies die combinatie is nodig voor toekomstige fusiecentrales, waar een krachtig plasma weinig waard is als het tegelijkertijd de installatie beschadigt.
Kernfusie draait om extremen. Om lichte atoomkernen te laten samensmelten, moeten onderzoekers brandstof zoals deuterium verhitten totdat een plasma ontstaat. Daarbij zijn temperaturen van tientallen miljoenen graden nodig. Maar alleen een hoge temperatuur is niet genoeg. Ook de dichtheid, druk en opsluiting van het plasma zijn belangrijk. Hoe hoger de plasmadruk, hoe meer fusievermogen in principe uit een bepaald volume kan worden gehaald.
Onderzoekers van de Britse UK Atomic Energy Authority (UKAEA) hebben op dat vlak nu een nieuw record gevestigd met MAST Upgrade. Tijdens de vijfde reeks experimenten bereikte de machine de hoogste plasmadruk uit zijn geschiedenis, zonder dat het plasma daarbij instabiel werd.
MAST Upgrade is een sferische tokamak. Waar een traditionele tokamak eruitziet als een brede donut, heeft deze variant een compactere vorm die UKAEA vergelijkt met een appel waar het klokhuis uit is gehaald. De Britten onderzoeken deze geometrie onder meer omdat ze mogelijkheden biedt voor compactere fusiecentrales.
Hoge druk heeft een keerzijde
Het opvoeren van de plasmadruk is niet zonder risico. Aan de buitenrand van het plasma kunnen plotseling instabiliteiten ontstaan die Edge Localised Modes worden genoemd, meestal afgekort tot ELM’s. Bij zo’n gebeurtenis kan in korte tijd een flinke hoeveelheid energie uit het plasma ontsnappen. Volgens UKAEA kan één ELM tot ongeveer tien procent van de opgeslagen plasmaenergie naar buiten slingeren.
Voor een toekomstige energiecentrale is dat een serieus probleem. Als dergelijke uitbarstingen zich voortdurend herhalen, krijgen onderdelen rond het plasma telkens flinke energiepieken te verwerken. Materialen kunnen daardoor sneller beschadigen en moeten vaker worden vervangen.
De onderzoekers probeerden daarom niet alleen de druk op te voeren, maar onderzochten tegelijkertijd verschillende manieren om het plasma rustig te houden. Daarbij wist MAST Upgrade vier verschillende stabiele plasmaregimes met hoge prestaties te bereiken. Daaronder bevinden zich Quiescent H mode, Quasi Continuous Exhaust en I mode.
Het gaat om verschillende manieren waarop het plasma kan worden opgesloten en energie kan afvoeren zonder dat grote schadelijke ELM’s ontstaan. Dat onderzoekers meerdere opties kunnen onderzoeken is belangrijk, omdat nog niet vaststaat welke aanpak uiteindelijk het geschiktst is voor een commerciële fusiecentrale.
Plasma verraadt zijn positie met licht
Een tweede resultaat uit de experimenten draait om de positie van het plasma. Ook die moet bijzonder nauwkeurig worden geregeld. Een plasma dat iets te ver verschuift, kan de warmtebelasting op onderdelen van de machine veranderen. De onderzoekers ontwikkelden hiervoor een nieuwe controlemethode. Daarbij kijken ze naar zichtbaar licht dat door deuterium wordt uitgezonden in de divertor, het gedeelte van een tokamak waar warmte en deeltjes uit het plasma worden afgevoerd.
Uit kleine verschillen in dat licht kan het systeem afleiden of het plasma niet meer precies op de gewenste positie zit. Vervolgens kan automatisch worden bijgestuurd. Dat lijkt een klein technisch detail, maar voor een toekomstige fusiecentrale is zo’n regelsysteem onmisbaar. Een centrale moet uiteindelijk langdurig kunnen draaien zonder dat onderzoekers voortdurend handmatig de positie en eigenschappen van het plasma corrigeren.
De hitte moet ergens heen
Daarmee is nog een ander probleem niet opgelost. Zelfs een perfect opgesloten plasma produceert enorme warmtestromen die uiteindelijk ergens naartoe moeten. MAST Upgrade beschikt daarom over een bijzonder uitlaatsysteem, de Super X divertor. Eerdere experimenten met deze divertor lieten zien dat de warmtebelasting op onderdelen in het uitlaatgebied met ongeveer een factor tien kan worden verminderd.
Tijdens de nieuwste experimenten gingen de onderzoekers nog een stap verder. Ze voegden kleine hoeveelheden stikstof toe aan de buitenste delen van het plasma. Daardoor kon een groot gedeelte van het uitgaande vermogen als licht worden uitgestraald voordat de energie de wand van de divertor bereikte. Dat verlaagt de plaatselijke warmtebelasting. En juist dat is cruciaal voor een echte centrale. Een fusiemachine moet niet alleen een heet en krachtig plasma kunnen maken, maar dat ook langdurig volhouden zonder dat onderdelen in hoog tempo slijten.
Meer dan 1.100 plasma’s
De vijfde experimentele campagne van MAST Upgrade liep gedurende 2025 en 2026. In totaal produceerden de onderzoekers meer dan 1.100 plasma’s. Meer dan 200 wetenschappers van ruim veertig onderzoeksinstellingen waren bij het programma betrokken. De resultaten zijn onder meer relevant voor STEP, het Britse programma dat moet leiden tot een prototype van een fusiecentrale op basis van een sferische tokamak. MAST Upgrade produceert zelf geen elektriciteit. De machine is bedoeld om de plasmafysica en technieken te onderzoeken die een toekomstige centrale mogelijk nodig heeft.
Daarbij blijven nog flinke obstakels over. Materialen moeten langdurig bestand zijn tegen extreme omstandigheden, warmte moet betrouwbaar worden afgevoerd en toekomstige centrales moeten hun brandstofcyclus en onderhoud praktisch kunnen organiseren. Het nieuwe record lost die problemen niet op. Het laat wel zien dat onderzoekers de prestaties van een plasma verder kunnen opvoeren zonder automatisch de controle kwijt te raken. De volgende uitdaging is om die omstandigheden nog dichter bij die van een echte fusiecentrale te brengen en ze uiteindelijk veel langer vol te houden.
