In een kernfusiereactor gaat het er heet aan toe met een waterstofplasma die op kan warmen tot tientallen miljoenen graden Celsius. Die hoge temperaturen zijn nodig omdat alleen onder dit soort extreme omstandigheden de gewenste fusiereactie tot stand komt waarbij grote hoeveelheden duurzame energie vrijkomt.
Een van de problemen die hierbij overwonnen moeten worden, is het plasma zwevend in het midden te houden van de “tokamak“, de meest gangbare fusiereactor die de vorm heeft van een donut met magneetspoelen er omheen.
Het hete plasma mag de reactorwanden niet raken omdat deze anders smelt en bovendien direct afkoelt. Vervelende is dat er altijd wel iets van waterstof wegglipt uit het plasma. Om dat te voorkomen moet dit ontsnapte waterstof op weg naar de wand worden afgekoeld.
Onderzoekers van het Nederlandse DIFFER en het EPFL Swiss Plasma Center hebben nu een meet- en regelmethode ontwikkeld om deze hete ontsnapte deeltjes uit het fusieplasma gecontroleerd te kunnen koelen. Volgens de beide centra is dit in een mijlpaal in het fusie-onderzoek die onlangs is gepubliceerd in het blad Nature Communications.
Zwitsers-Nederlandse samenwerking
DIFFER staat voor Dutch Institute for Fundamental Energy Research en is gelieerd aan de TU Eindhoven. Het voornaamste doel is zoveel mogelijk duurzame en CO2-neutrale energie realiseren voor iedereen op de wereld. Kernfusie kan daarbij een belangrijke rol spelen.
Christian Theiler van EPFL legt uit dat koelen van de ontsnapte waterstofdeeltjes op verschillende manieren mogelijk is, onder meer door het injecteren van een gas. “Je wilt niet teveel koelen, dan slaat je plasma dood”, zegt hij. Het is dus zoeken naar het exact beste punt waar de reactor de belasting nog goed aankan.
dat de wand wordt verwoest. Beeld DIFFER/Julia van Leeuwen
EUROfusion
Het koelen goed kunnen controleren wordt in de roadmap van het Europese kernfusie programma (EUROfusion) expliciet genoemd als noodzakelijke stap richting fusie-energie. “Het is geweldig om daar aan bij te dragen”, zegt Matthijs van Berkel van DIFFER.
In Nature Communications beschrijven de wetenschappers hoe je de ontsnapte deeltjesstroom op een snelle en gecontroleerde manier koelt met een innovatief regeltechnieksysteem, dat constant bijstuurt. Het systeem is getest in de tokamak van EPFL in Lausanne.
Niet langer op gevoel
Waterstof dat aan het hete plasma ontsnapt, wordt via de zogenoemde divertor van de reactor afgevoerd. Dat is een soort uitlaat waar de warmte van het plasma wordt afgevangen. Dit sterke koelen van het plasma in de buurt van de uitlaat heet in jargon divertor detachment. Het zorgt voor een afname van de temperatuur en druk in de buurt van de divertorwand.
Kernfysici hebben al veel ervaring met dit proces, maar varen toch deels op hun gevoel. Het is geen exacte wetenschap, maar precies dat hopen EPFL en DIFFER te veranderen.
De onderzoekers gebruiken daarvoor het camerasysteem MANTIS op de TCV tokamak. MANTIS staat voor Multispectral Advanced Narrowband Tokamak Imaging System. Het systeem is bij DIFFER samen met EPFL en MIT ontwikkeld.
800 keer per seconde
De onderzoekers pasten het systeem zo aan dat real-time camerabeelden worden omgezet naar data, waarna een computermodel de optimale koeling berekent. Dit gebeurt allemaal met uiterste precisie: de toestand van het plasma wordt 800 keer per seconde bepaald.
Een nieuw real-time imaging processing algoritme, ontwikkeld bij DIFFER, analyseert de MANTIS-beelden. Het algoritme bepaalt hoeveel er gekoeld moet worden, en stuurt dan automatisch de gaskleppen aan. Tot slot maakten de onderzoekers een model van het systeem door, weer met de camera, te analyseren hoe het plasma op het inlaten van gas reageert. “Met dit model bepalen we de dynamische relatie tussen het bedienen van de gasklep en de locatie van het warmtefront”, zegt Van Berkel.
Meer artikelen over DIFFER vindt u hier.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
