Kernfusie voor de gecontroleerde en regelmatige opwekking van elektrische energie door waterstof om te zetten in helium en op kleine schaal te reproduceren wat er in sterren gebeurt, is een van de belangrijkste technologische beloften voor de komende decennia. Tot dusver, slechts beperkte resultaten zijn bereikt in laboratoriumexperimenten. Nutsvoorzieningen, een prototype reactor genaamd ITER is in aanbouw in Zuid-Frankrijk. De ontwerpcapaciteit is voor 500 megawatt, en het plan is om in 2025 live te gaan. De leden van het ITER-consortium zijn China, de Europese Unie, Indië, Japan, Rusland, Zuid-Korea en de Verenigde Staten. De kosten van het megaproject zullen naar verwachting de € 20 miljard overschrijden.

ITER zal de geproduceerde energie niet vastleggen als elektriciteit, maar het zal de eerste tokamak zijn die netto energie produceert, d.w.z., meer vermogen dan de hoeveelheid thermische energie die wordt geïnjecteerd om het plasma te verwarmen. Het zal wetenschappers in staat stellen meer te leren over het omgaan met de vele technische complexiteiten van kernfusie, de weg vrijmaakt voor machines die het gebruiken om elektriciteit aan het net te leveren. De term tokamak komt van het Russische acroniem voor een ringkernkamer met magnetische spoelen.

Het zal van cruciaal belang zijn ervoor te zorgen dat het kernfusieproces zichzelf in stand kan houden en energieverlies via elektromagnetische straling en alfadeeltjes te voorkomen, omdat deze verliezen de reactor zouden laten afkoelen. Experimentele resultaten die de afgelopen 20 jaar zijn waargenomen, hebben aangetoond dat de manier waarop snelle ionen (inclusief alfadeeltjes) uit het plasma worden uitgestoten, sterk verschilt van tokamak tot tokamak. Tot voor kort, niemand begreep welke experimentele omstandigheden dit gedrag bepaalden.

Het probleem is nu opgehelderd door Vinícius Njaim Duarte, een jonge Braziliaanse onderzoeker. Duarte is momenteel bezig met postdoctoraal onderzoek aan het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) in de VS. Hij is de hoofdauteur van het artikel, getiteld "Theorie en observatie van het ontstaan ​​van niet-lineaire structuren als gevolg van eigenmode destabilisatie door snelle ionen in tokamaks, " gepubliceerd in de Journal Physics of Plasmas .

Duarte's onderzoek trok zoveel aandacht dat onderzoekers van de grootste Amerikaanse tokamak, DIII-D, experimenten uitgevoerd om het door hem voorgestelde model te testen. De resultaten bevestigden de voorspellingen van het model.

Natuurkundige Ricardo Magnus Osório Galvão zei:"Elektromagnetische golven opgewekt door snelle deeltjes in tokamaks kunnen plotselinge variaties in frequentie vertonen, bekend als tsjilpen. Niemand begreep waarom dit bij sommige machines wel gebeurde en bij andere niet. Met behulp van complexe numerieke modellering en experimentele gegevens, Duarte toonde aan dat het al dan niet voorkomen van getjilp - en dus de aard van deeltjes- en energieverliezen - afhangt van de mate van turbulentie in het plasma dat is opgesloten in de tokamak. In dit plasma vinden kernfusiereacties plaats. Tjilpen treedt op als het niet erg turbulent is. Bij hevige turbulentie, er wordt niet gepiept."

Kernfusie is iets anders dan kernsplijting, het proces dat wordt gebruikt in de bestaande kerncentrales van de wereld. bij splijting, de atoomkernen van zware elementen zoals uranium 235 gesplitst in kernen van lichtere elementen - krypton en barium, in dit geval. Bij deze splitsing komt energie vrij, electromagnetische straling, en neutronen die op hun beurt splitsen in een kettingreactie die het proces gaande houdt.

Bij kernfusie, de atoomkernen van lichtere elementen zoals de waterstofisotopen deuterium (één proton en één neutron) en tritium (één proton en twee neutronen) smelten samen om kernen van zwaardere elementen te vormen - in dit geval helium (twee protonen en twee neutronen) en geven energie vrij.

"Om kernfusie mogelijk te maken, het is noodzakelijk om de elektrostatische afstoting tussen positieve ionen te overwinnen, " legde Galvão uit. "Dit gebeurt alleen als het plasma gevormd door de kernen van de lichte elementen wordt verwarmd tot extreem hoge temperaturen, in de orde van tientallen tot honderden miljoenen graden Celsius."

Bij ITER, bijvoorbeeld, 840 kubieke meter plasma wordt verwarmd tot 150 miljoen graden Celsius, meer dan tien keer de temperatuur van de kern van de zon. "Bij zo'n temperatuur je bereikt energie break-even. De energie die vrijkomt bij de fusiereacties is voldoende om de energie te evenaren die nodig is om het plasma te verwarmen, ' zei Galvão.

Het proces vindt plaats in de ringkernkamer in de tokamak. Een torus heeft de vorm van een donut. De vaste stof in het oppervlak staat bekend als een torus.

Het kernfusieproces verloopt als volgt:er ontstaat een vacuüm in de kamer, die vervolgens wordt gevuld met gas. Een elektrische ontlading ioniseert het gas, die wordt verwarmd door hoogfrequente radiogolven. Een elektrisch veld dat in de ringkernkamer wordt opgewekt, onderwerpt het gas aan een extreem intense stroom (ongeveer 1 miljoen ampère, in het geval van DIII-D), die het gas nog verder opwarmt via het Joule-effect. Er wordt nog meer energie geïnjecteerd door elektromagnetische golven totdat de temperatuur is bereikt die nodig is om kernfusie op gang te brengen. Zelfs een kleine tokamak, zoals die geïnstalleerd aan de Universiteit van São Paulo, bereikt temperaturen in de orde van 100 miljoen graden.

"Bij deze extreem hoge temperaturen, de ionen trillen zo sterk dat ze botsen en elektrostatische afstoting overwinnen, "Zei Galvão. "Een krachtig magnetisch veld beperkt de plasmastroom en houdt deze weg van de wanden van het vat. De sterk geactiveerde alfadeeltjes [heliumkernen] botsen met andere deeltjes in het plasma, om het warm te houden en de fusiereactie in stand te houden."

Een door Galvão gesuggereerde analogie zou een vreugdevuur zijn gemaakt met vochtig hout, die in het begin niet gemakkelijk vlam vat, maar die uiteindelijk oplaait nadat een bepaalde temperatuur is bereikt, en de steeds stabielere verbranding produceert genoeg energie om de vochtigheid te overwinnen. Plasma bereikt het ontstekingspunt wanneer alfadeeltjes consequent terugstromen in het proces.

Een van de vele voordelen van kernfusie ten opzichte van kernsplijting is het feit dat kernfusie een zelfcontrolemechanisme met zich meebrengt:zodra het ontstekingspunt is bereikt, als dit temperatuurniveau aanzienlijk wordt overschreden, met andere woorden, als het plasma oververhit raakt, vertraagt ​​de reactie automatisch. Dus, reactor kernsmelting, een van de gevaarlijkste complicaties van ongevallen in elektriciteitscentrales die kernsplijting gebruiken, niet zou kunnen gebeuren in een kernfusiecentrale.

Het probleem is dat resonante interactie tussen alfadeeltjes en golven in het plasma elektromagnetische oscillaties kan opwekken. of zelfs leiden tot het uitwerpen van alfadeeltjes. Dit kan energieverlies veroorzaken, plasmakoeling en mogelijke onderbreking van kernfusie. Inzicht in de oorzaken van dit probleem en de factoren die dit kunnen voorkomen, is van fundamenteel belang om de duurzaamheid van het proces en het gebruik van kernfusie als een levensvatbare bron van elektriciteit te waarborgen.

"Wat Duarte ontdekte, is dat deze uitkomst op een zelfgeorganiseerde manier gebeurt, met de productie van getjilp, als het plasma niet erg turbulent is. Als de turbulentie hoog is, echter, het niet, " zei Galvão [zie hieronder voor een interview met Vinícius Njaim Duarte].

De kern van het probleem is dat in een zeer turbulente vloeistof, er is geen voorkeursrichting, Galvão legde uit, het aanbieden van een andere analogie om zijn betekenis te helpen illustreren.

"Als je water langzaam opwarmt, je maakt een convectiecel in de container. Warm water stijgt, en koud water zinkt. Dit gaat door totdat al het water het kookpunt bereikt, " zei hij. "Het medium wordt dan turbulent, de convectiecel wordt vernietigd, en de energie verspreidt zich zonder onderscheid in alle richtingen. Dit gebeurt ook in magnetisch opgesloten plasma. Het optreden ervan verhindert de creatie van een zelfgeorganiseerd systeem dat een ongewenste bijbehorende elektromagnetische golf in stand houdt. Er is onvoldoende samenhang om golven te genereren. Dus het energieverlies dat het fusieproces zou beëindigen, vindt niet plaats.

"Duarte had tijdens zijn promotieonderzoek al een paper over dit model gepubliceerd, maar niemand had een experiment uitgevoerd om het niveau van turbulentie te beheersen en te zien of het model van toepassing was of niet. Dit is nu uitgevoerd door General Atomics bij DIII-D, specifiek om het model te testen, wat werd bewezen door het resultaat."

Experimentele fysici wisten empirisch al hoe ze hogere of lagere turbulentie konden induceren, maar ze wisten niet dat dit van invloed zou zijn op de spectrale aard van golven die verband houden met de deeltjesstructuur. De bijdrage van Duarte bestaat uit het identificeren van het belangrijkste controlemechanisme en het uitleggen waarom. Op het gebied van technologische toepassingen, dit zorgt voor optimale turbulentie - genoeg om zelfgeorganiseerd deeltjes- en energieverlies te voorkomen, maar niet genoeg om andere ongewenste effecten op de algehele plasma-opsluiting te hebben.

Tot nu, tokamaks zijn gebruikt op laboratoriumschaal. ITER wordt het eerste prototype van een tokamak die op efficiënte wijze elektriciteit kan opwekken door middel van kernfusie. Het gebruik van gecontroleerde kernfusie is niet onomstreden, maar volgens zijn voorstanders, het is veilig, kan een praktisch onbeperkte hoeveelheid stroom produceren, en creëert geen radioactief afval, net als splijtingsreactoren.