Je leest:

Het temmen van het plasma

Het temmen van het plasma

Auteur: | 21 oktober 2010

In de kernfusiecentrales van de toekomst wordt energie opgewekt uit plasma, ongeveer tien keer zo heet als het binnenste van de zon. Waar stop je dat plasma in om te voorkomen dat alles smelt door de extreme hitte?

“Laten we een zon op aarde maken.” Dat was de visie van Kees Braams, pionier op het gebied van kernfusieonderzoek en de eerste directeur van FOM-Instituut Rijnhuizen. Op een prachtig landgoed bij Nieuwegein mocht hij een onderzoeksinstituut uit de grond stampen om een gloednieuw en bloedspannend natuurkundig idee uit te werken. Dat idee was om kernfusie, de energie waarop de zon brandt, naar de aarde te halen. Tony Donné, hoofd van de fusie-afdeling van FOM Rijnhuizen, kan zich die tijd goed voorstellen. “Na de hype met kernsplijtingsreactoren werd er ineens gedacht: kunnen we dat ook niet met kernfusie, kunnen we dat niet doen op aarde? Dat begon in de jaren vijftig, en de hele wereld is er ongeveer tegelijk bovenop gesprongen.” Eenmaal beteugeld zou kernfusie de ideale energiebron worden: stroom uit water.

JET, de Joint European Torus, is de grootste werkende kernfusiereactor van dit moment. Naar verwachting zal JET binnenkort de eerste fusiereactor zijn waarin aantoonbaar meer energie wordt geproduceerd dan erin gaat.
JET/ITER

Het bleek echter allemaal minder eenvoudig dan de pioniers in de jaren ’50 en ’60 hoopten. Het plasma dat benodigd is voor kernfusie heeft een ongelofelijk hoge temperatuur. De eerste uitdaging was om die temperatuur te bereiken, door plasma onder hoge druk in elkaar te duwen. De tweede uitdaging, die zelfs nu nog openstaat, is om een superheet plasma met magneetvelden gecontroleerd vast te houden.

Een deuteriumkern (2H) en een tritiumkern (3H) botsen op elkaar. Ze versmelten, zodat er een heliumkern (4He), een neutron (n) en een beetje energie (aangegeven in MeV) vrijkomen.

In de tot nu toe meest succesvolle researchlijn voor kernfusiereactoren worden magneetvelden gebruikt om het plasma te bedwingen. De beste vorm voor die magneetvelden lijkt die van een holle donut te zijn: de vorm van de zogenaamde tokamak. Maar plasma is geen gewillig goedje dat zich gedwee laat meevoeren door het magnetische veld. Het is een woeste, grillig kolkende massa die voortdurend probeert door de mazen van het veld heen te kruipen. Voor het grootste gedeelte kan het sterke magneetveld waar het plasma in gevangen zit dat tegenhouden, maar zo nu en dan ontstaan er instabiliteiten in het plasma. Zoals in een pan water die aan de kook wordt gebracht, ontstaan er op willekeurige plaatsen een soort bellen in het plasma en die plasmabellen willen niets liever dan in de open ruimte uit elkaar spatten.

“De instabiliteiten (‘plasmabellen’) kunnen groeien. Als ze te groot worden kunnen ze een negatief effect hebben op het plasma, in het ergste geval zorgen ze er zelfs voor dat het plasma helemaal uitdooft,” legt Tony Donné uit. “Wij willen technieken ontwikkelen om die instabiliteiten te lijf te gaan.” Als dat niet gebeurt en de instabiliteiten spatten uit elkaar, dan krijgt de wand van de reactor waar het plasma in zit plotseling een hele grote hoeveelheid energie te verwerken. Dat is een probleem: de meeste metalen smelten bij zo’n hitte, en andere hittebestendige materialen worden broos of verdampen zelfs.

Bij FOM Rijnhuizen zoeken natuurkundigen op twee manieren naar een oplossing voor dit probleem. Hun onderzoek is sterk gericht op toepassing in toekomstige fusiecentrales, zoals het wereldwijde samenwerkingsproject ITER in Zuid-Frankrijk. De eerste manier is het aanpakken van de onregelmatigheden in het plasma. Om dat te doen moet je ze eerst opsporen en daarna de kop in drukken. De andere manier is het bestand maken van de wand tegen de uit elkaar spattende plasmabellen. Hoe je dat doet wordt door veel wetenschappers wereldwijd onderzocht, maar FOM Rijnhuizen heeft een unieke machine die kan testen hoe goed die nieuwe materialen zijn.

Het plasma-wandexperiment Pilot-PSI schiet een bundel plasma (heet, geladen gas) op een trefplaat en onderzoekt hoe het materiaal reageert op de beschieting. Hier wordt een waterstofplasma gebruikt.
FOM-Instituut Rijnhuizen

Bellen in de plasmaballon

Als je een ballon steeds verder opblaast loopt de druk in de ballon op. De rubberen wanden van de ballon krijgen het onder die druk zwaar te verduren en moeten daar dus bestand tegen zijn. Er komt echter altijd een punt waarop de druk te hoog wordt en de ballon klapt. Dat begint dan bij de zwakste plek in de ballon, die bezwijkt het eerst onder de druk. Een plasma in een magneetveld probeert, net als de lucht in een ballon, de hele tijd uit de hoge druk van het magneetveld te ontsnappen. De zwakke plekken in het magneetveld van een kernfusiereactor zitten vooral aan de buitenkant, dus als het plasma ergens gaat lekken is het daar. De truc is dan om de zwakke plekken op te sporen en te voorspellen waar het plasma door gaat breken. Als je zo’n plek eenmaal hebt gevonden, kan je proberen om erger te voorkomen: door het veld sterker te maken of het plasma een zetje de goede kant op te geven, bijvoorbeeld.

In kernfusiereactor JET ontstaat een plasma. De lichtende band langs de onderkant van de reactor laat duidelijk zien waar het magneetveld het zwakst is.

In een volledig geïoniseerd plasma zoals je dat in een kernfusiereactor tegenkomt, zitten positief geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen. Die deeltjes hebben ooit bij elkaar gehoord in een atoom, maar in het plasma gaan ze allemaal hun eigen weg. Doordat het geladen deeltjes zijn, kun je ze in een magneetveld vangen; de deeltjes spiraliseren met hoge snelheid om de magnetische veldlijnen. In principe is het magneetveld zo gevormd dat het nooit de wand raakt. Daardoor zijn de deeltjes heel goed opgesloten. Maar door instabiliteiten in het magneetveld kunnen deeltjes toch aan het plasma ontsnappen. Dit is ongewenst, maar in principe is het mogelijk om de deeltjes van buitenaf te beïnvloeden met microgolfstraling. “Het lijkt een beetje op surfen,” aldus Donné, “je geeft de elektronen een klein surfplankje en stuurt er microgolfstralen op af om ze aan de gang te krijgen.” De onderzoekers van FOM Rijnhuizen hebben apparatuur ontwikkeld om dat op goede en betrouwbare wijze te doen.

Maar hoe kom je erachter waar de instabiliteiten in een plasma zitten? Eén mogelijkheid is om een laserstraal door het plasma te schieten en te kijken hoeveel licht er verstrooid wordt; dat geeft een goed beeld van de dichtheidsverdeling in het plasma. Je kunt ook kijken naar het spectrum van het verstrooide licht: dat geeft een opname van de temperatuursverdeling in het plasma. Onregelmatigheden zijn zo op te sporen, zodat je weer microgolven kunt gebruiken om uiteenspattende plasmabellen te voorkomen.

CFC wordt vaak gebruikt als lichtgewicht, hittebestendig materiaal – zoals op deze staartvin van een helikopter.

Koolstoftegeltjes

Voorkomen is natuurlijk beter dan genezen, maar voorlopig zullen ontwerpers van fusiereactoren nog rekening moeten houden met lekkende instabiliteiten in het plasma. Bovendien komen er bij kernfusie snelle neutronen vrij die niet door het magneetveld beïnvloed worden, maar wel schade aan kunnen richten aan de reactorwand. Het is dus van groot belang om voor de reactorwand een materiaal te kiezen dat zowel tegen plotselinge uitbarstingen van grote hitte als een continue bekogeling van snelle deeltjes kan.

De grootste fusiereactor op dit moment is JET, in Engeland. JET staat voor Joint European Torus. “JET is eind jaren ’70 gebouwd, door alle Europese onderzoeksinstituten samen. We hebben daar nu ook nog een aantal onderzoekers zitten,” vertelt Donné. De onderkant van de wanden van JET is bekleed met tegels van koolstofvezels: CFC, of carbon fiber composite. Dit soort samengestelde stoffen is stevig en hittebestendig. Toch bleken zulke materialen al snel een stuk minder ideaal dan ze leken. Het plasma bestaat namelijk voor een groot deel uit geïoniseerd waterstof en als dit met koolstof in aanraking komt, reageert het tot koolwaterstofverbindingen. De CFC-tegels hebben koolstof als hoofdbestanddeel, dus hoewel de tegels de hitte prima kunnen afvoeren is hun levensduur zeer beperkt. Gelukkig zijn ze makkelijk te vervangen.

Voor de nieuw te bouwen kernfusiereactor ITER zijn de tegels niet geschikt. Ten eerste wordt de reactor veel groter, dus de hoeveelheid energie die de wand te verwerken krijgt is nog groter dan bij JET. Ten tweede zal in ITER -veel vaker dan in JET is gebeurd- echt fusie plaatsvinden. In JET wordt meestal een plasma van waterstof gebruikt, waarin bij fusie geen snelle neutronen worden geproduceerd. Dat maakt het makkelijk om te oefenen met het beheersen van het plasma en het opschroeven van de temperatuur. In een echt fusieplasma zitten deuterium en tritium, twee vormen van zwaar waterstof. Deuterium is een makkelijk verkrijgbare en goed beheersbare stof, maar tritium is vervelender.

“Tritium heeft een hele korte halveringstijd, van twaalfeneenhalf jaar,” vertelt Donné. “Dat betekent dat alle tritium die ooit op aarde was gewoon weg is. Bovendien heeft het nog een groot nadeel: als je ermee gaat werken wordt je apparatuur radioactief. In JET willen we nog af en toe mensen naar binnen sturen, dus werken we meestal met pure deuteriumplasma’s. Dan wek je geen energie op, maar je kunt heel goed uitrekenen hoeveel energie eruit zou komen als er ook tritium in het plasma had gezeten.” Als er deuterium en tritium in de reactor zitten, worden bij fusie snelle neutronen opgewekt die de wand van de reactor bombarderen waardoor hij radioactief wordt. Die radioactiviteit duurt weliswaar relatief kort: binnen 50 à 100 jaar is het niveau van de activiteit gedaald tot onder die van een kolencentrale. Maar het is geen prettige plaats om even naar binnen te moeten om nieuwe tegeltjes te plakken…

Magnum-PSI approved

FOM-Instituut Rijnhuizen

Het is lastig om te voorspellen hoe een materiaal precies op de grote hitte en het neutronenbombardement van een kernfusiereactor zal reageren. Je kunt er computermodellen op loslaten en hopen dat die het precies goed hebben, maar bij FOM Rijnhuizen staat een apparaat dat materialen aan een échte test kan onderwerpen. Het apparaat heet Pilot-PSI, en zijn grote broer Magnum-PSI wordt volgend voorjaar in gebruik genomen. PSI staat voor plasma-surface interaction: de wisselwerking tussen een plasma en het oppervlak van een materiaal.

Pilot-PSI is gebouwd van gerecyclede onderdelen van de kleine experimentele fusiereactor die FOM Rijnhuizen tot 1998 gebruikte. Het is een kleine opstelling waarin een bundel plasma kan worden gemaakt. De bundel kan door toepassing van sterke magneten heel smal worden, en plaatselijk de temperatuur, dichtheid, deeltjesflux (het aantal deeltjes per seconde) en deeltjesenergie bereiken die wanden van een kernfusiereactor te verduren krijgen. Door de straal plasma op een plaatje van een mogelijk nieuw wandmateriaal te richten kun je uitproberen wat er met zo’n materiaal zou gebeuren in een echte centrale.

Pilot-PSI heeft al heel wat plaatjes van experimentele wandmaterialen beschoten met gloeiend heet plasma. Zo zijn onderzoekers er bijvoorbeeld achter gekomen dat zelfs één van de hardste materialen die we kennen -diamant- ongeschikt is voor een reactorwand. Diamant is namelijk van koolstof gemaakt, en als dat met waterstof in contact komt reageert het tot koolwaterstofverbindingen. De diamanten wand zou dus razendsnel verdampen. Geen diamanten wand, dus. Goed nieuws voor het kostenplaatje van een fusiecentrale, zou je denken, maar het probleem blijft vooralsnog bestaan: het ideale materiaal is tot nu toe nog niet ontdekt.

Pilot-PSI in bedrijf. De bundel plasma raakt een plaatje van een wandmateriaal aan de rechterkant.

Magnum-PSI doet eigenlijk hetzelfde als Pilot-PSI, maar is in alle opzichten groter en beter. Pilot-PSI gebruikt gekoelde koperen magneten, waardoor het nodig is om hem na enkele seconden uit te zetten en af te laten koelen. De supergeleidende magneten van Magnum-PSI zorgen ervoor dat in de vijftien meter lange buis urenlang een continue stroom plasma kan lopen. Een robotarm kan verschillende plaatjes materiaal in Magnum-PSI naar binnen brengen zonder het hoge vacuüm te verbreken dat nodig is voor het plasma. Bovendien is de bundel heter en groter dan in Pilot-PSI, en komt het effect van het plasma veel dichter bij het effect die een kernfusiereactor op zijn wand zou hebben.

Overzicht van Magnum-PSI: van links naar rechts de witte analyseruimte, de luchtafvoer die naar de sterke pompen leidt en de kamer waar de materiaalplaatjes getest worden. De houten kast geeft aan waar de supergeleidende magneet komt te staan, zodat de bouwers weten binnen welke grenzen ze de verschillende koelslangen en andere apparatuur van Magnum-PSI moeten bevestigen.
FOM-Rijnhuizen / Gieljan de Vries

Natuurlijk, zelfs in Magnum-PSI zijn de effecten van het rondkolkende plasma in een echte reactor niet precies na te bootsen. Bovendien wordt er een onschuldig waterstofplasma gebruikt in plaats van het fuserende en neutronen producerende deuterium-tritium-plasma uit een echte reactor. Toch staan wereldwijd al onderzoeksinstituten in de rij om hun bedenksels aan de Magnum-PSI-vuurproef te onderwerpen. De onderzoekers in Rijnhuizen zijn er klaar voor en als de machine in het voorjaar van 2011 in gebruik wordt genomen, is de kans groot dat een geslaagde Magnum-PSI-test wereldwijd geaccepteerd zal worden als het keurmerk voor een geschikt reactorwandmateriaal.

De meesterproef

De zoektocht naar de ideale reactorwand duurt voort, maar ondertussen wordt er al gebouwd aan een nieuwe kernfusiereactor. Deze reactor, ITER, is een uniek project waar onderzoekers uit de hele wereld aan samenwerken. Van Russen tot Amerikanen, van Japanners tot Fransen: alle kernfusie-experts in de hele wereld hebben hun krachten gebundeld om van ITER de eerste reactor te maken die daadwerkelijk meer energie oplevert dan erin gaat. Als dat lukt is de weg naar het stopcontact vrij: er is geen andere hernieuwbare energiebron die zo goed in staat zou zijn om de wereld van elektriciteit te voorzien als kernfusie.

Een artistieke weergave van de nieuwe ITER-centrale. ITER was aanvankelijk een afkorting voor International Thermonuclear Experimental Reactor, maar tegenwoordig wordt ermee verwezen naar de betekenis van het Latijnse woord iter, wat ‘de reis’ of ‘de tocht’ betekent.
ITER

In afwachting van de vondst van het ideale wandmateriaal zal ITER wanden van wolfraam krijgen. Wolfraam, bekend van gloeidraden, is een bijzonder hittebestendig metaal, dat onder grote hitte niet smelt maar sintert. Dat maakt het metaal nog steviger dan het daarvoor al was. Bij al te hoge temperaturen kan het nog steeds smelten of broos worden, maar het zou in staat moeten zijn om het helse klimaat binnenin een fusiereactor redelijk te doorstaan.

“Het grootste verschil tussen ITER en JET is dat ITER veel groter wordt,” vertelt Tony Donné. “Je moet het centrum van een plasma heel warm maken, honderd miljoen graden. Aan de wanden mag het veel minder heet zijn, zo’n vijf tot tien miljoen graden.” De grotere afmetingen helpen daarbij: de temperatuur kan per meter maar een beperkt aantal graden afnemen, en hoe groter de afstand tussen het midden van de reactor is, hoe groter de temperatuur in het midden mag worden." ITER is ongeveer twee keer zo groot als JET, en heeft een acht keer zo grote inhoud. Een bijkomend voordeel daarvan is dat de wanden een relatief kleiner oppervlak hebben dan bij JET, waardoor het makkelijker is om de warmte binnen te houden.

Hoe groter de fusiecentrale, hoe makkelijker het plasma te bedwingen is. Een piepkleine reactor zoals op het dak van de DeLorean in Back to the Future is dus, helaas, onmogelijk.

Brandstofproductie

Aan de binnenkant van de wand komt een mantel, waarschijnlijk van twee lichte metalen: beryllium en lithium. Die mantel is nodig vanwege de ‘brandstof’ die in kernfusiecentrales wordt gebruikt. Die bestaat uit twee soorten zwaar waterstof: deuterium en tritium. Deuterium is eenvoudig uit zeewater te winnen, maar tritium is een radioactieve stof met een korte vervaltijd. Het komt in de natuur niet voor en is lastig en duur om te produceren. Om een fusiecentrale gedurende langere tijd goedkope energie te laten produceren is het daarom van groot belang dat de reactor behalve energie ook nieuw tritium maakt. Dat kan door lithium in de wand te gebruiken.

Wanneer een neutron een lithiumkern raakt kan die kern vervallen naar een helium- en een tritiumkern. Helaas is dat nog geen ‘gratis’ tritiumopbrengst: voor iedere nieuwe tritiumkern is één neutron nodig, en uit iedere fusiereactie, waarin een tritiumkern wordt gebruikt, komt precies één neutron. Vandaar het laagje beryllium waarmee de reactorwand bekleed zal worden: beryllium dat geraakt wordt door een alfadeeltje -de opbrengst van een fusiereactie- laat soms een neutron los. Zo worden er meer neutronen gemaakt dan gebruikt. De neutronen die niet met lithium reageren om nieuwe kernen te maken, wekken warmte op in de reactorwand; en juist die warmte kan worden omgezet in energie.

Fusie-onderzoekers kijken reikhalzend uit naar de dag dat ITER af is, maar dat betekent niet dat er daarvoor geen doorbraken in het fusieonderzoek meer te verwachten zijn. Met Magnum-PSI zullen nieuwe materialen getest worden om zo de ideale wand te ontwikkelen, die de fusiereactor ook nog eens van zijn eigen brandstof kan voorzien. In de oude reactor JET wordt alles op alles gezet om het uiterste uit de machine te halen. Voordat JET uit en ITER aan gaat, hopen de onderzoekers van JET te kunnen laten zien dat zelfs hun oude machine goed genoeg is om break-even te draaien of zelfs iets beter; er wordt dan in het plasma net iets meer fusie-energie geproduceerd dan nodig is om hem te laten draaien. Het zou een passend einde zijn voor een succesvolle experimentele reactor. En hopelijk slechts een voorproefje van wat zijn opvolger ITER zal kunnen.

FOM-Instituut Rijnhuizen

Dr. Tony Donné promoveerde in de kernfysica en kwam bij FOM-Instituut Rijnhuizen terecht als postdoctoraal onderzoeker. Hij werd projectleider bij de nieuwe kleine tokamak TORTUR en groeide zo door tot een expert op het gebied van diagnostiek in kernfusiereactoren. Vanaf 2009 is hij de leider van de fusieafdeling van FOM Rijnhuizen. Donné is directeur van een Nederlands-Russisch samenwerkingsverband op het gebied van fusie-onderwijs en -onderzoek. Donné organiseerde een aantal werkgroepen en conferenties over diagnostische apparaten voor fusiereactoren. Zowel bij de apparaten voor JET als bij die voor ITER is hij nauw betrokken.

Zie ook:

Meer lezen over kernfusie op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/kernfusie/plasma/index.atom?m=of", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 oktober 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.