Klimaat & energie › Commerciële kernfusie
Eerst verhitten, dan brandstof: nieuwe rekenroute naar kernfusie-ignitie
Amerikaanse natuurkundigen hebben een nieuwe rekenmethode gepresenteerd die veel minder energie kost om een fusieplasma tot ontsteking te brengen. In plaats van eerst de dichtheid en dan de temperatuur op te voeren, blijkt het slimmer om eerst te verhitten en pas daarna de dichtheid te verhogen. De bevindingen kunnen het ontwerp van toekomstige fusiecentrales flink veranderen.
Al meer dan zeventig jaar gebruiken fusieonderzoekers één vaste rekensom om te bepalen of een plasma heet en dicht genoeg is om zichzelf in stand te houden: het Lawson-criterium. Die formule vertelt alleen of je de eindstreep haalt, niet wat de slimste weg daarnaartoe is. Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben die formule nu uitgebreid met vier extra factoren, en daarmee een route in kaart gebracht die veel minder energie vraagt dan gangbare ontwerpen. Het werk, van natuurkundigen Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono en Jonathan Menard, is gepubliceerd in Physical Review Letters.
Om de berg heen in plaats van eroverheen
Delgado-Aparicio vergelijkt het proces met het oversteken van een gebergte. Veel fusieprojecten en -bedrijven proberen de top rechtstreeks te beklimmen: eerst de dichtheid van het plasma opvoeren en daarna de temperatuur. Dat kost enorm veel energie. Het PPPL-team laat zien dat het slimmer is om eerst te verhitten en pas daarna de dichtheid te verhogen. Die route loopt door een laag punt in de energie-"bergkam", het zogeheten Cordey-zadel. Om verschillende routes te vergelijken gebruikten de onderzoekers de grootheid Q: de verhouding tussen de energie die fusiereacties opleveren en de energie die nodig is om het plasma te verhitten. In een theoretisch zuiver plasma ligt dat zadelpunt rond een Q van vijf. Zodra je rekening houdt met verontreinigingen en extreem sterke magneetvelden, verschuift dat punt en is er meer vermogen nodig om het te bereiken.
Muren, verontreiniging en een ingebouwde noodrem
De kracht van het nieuwe model is dat het meerdere storende effecten tegelijk meerekent, iets wat eerdere studies steeds apart deden. Het gaat om heliumas die overblijft na fusiereacties, lichte en zware verontreinigingen van de reactorwand, stralingsverlies door versnelde elektronen (synchrotronstraling) en warmteverlies dat toeneemt bij hogere temperaturen. Vooral de wand blijkt cruciaal: meer dan tien toekomstige fusiemachines, waaronder tokamaks, gebruiken wolfraam als binnenbekleding omdat dat metaal extreme hitte kan verdragen. Maar de berekeningen tonen dat al één wolfraamdeeltje op elke tienduizend plasmadeeltjes de benodigde druk voor ignitie ongeveer verdubbelt. Tegelijk biedt diezelfde natuurkunde een onbedoeld voordeel: de verliezen die ignitie moeilijker maken, remmen ook de gevreesde 'thermal runaway', waarbij fusiewarmte zichzelf steeds verder opstookt. Daardoor kan een brandend plasma zich vanzelf stabiliseren. Oplossingen die de onderzoekers aandragen zijn wanden van vloeibaar lithium, die wolfraamvervuiling tegenhouden en warmte beter vasthouden, en spinpolarisatie van de brandstofkernen, waarmee de fusiesnelheid toeneemt. Het onderzoek is vooralsnog theoretisch: geen bestaande reactor bereikt de temperaturen waarbij het Cordey-zadel ligt. Het team wil de nieuwe route eerst testen met computersimulaties voordat ze in echte experimenten wordt uitgeprobeerd.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als de nieuwe rekenmethode klopt, kunnen toekomstige fusiecentrales met minder energie en dus goedkoper het punt van zelfverhitting bereiken. Dat scheelt ontwerpkosten en verkleint het risico op duurte foutieve aannames bij de bouw van dure proefreactoren. Ook het gevonden zelfremmende effect tegen oncontroleerbare opwarming kan de veiligheid van toekomstige tokamaks en stellarators vergroten.
- Lawson-criterium
- De klassieke rekensom die aangeeft wanneer een plasma heet en dicht genoeg is om fusie-energie zelfstandig in stand te houden.
- Cordey-zadel
- Het laagste punt op de energiedrempel tussen een plasma dat nog verhit moet worden en een plasma dat zichzelf in stand houdt; de nieuwe, zuinigere route naar ignitie loopt hier doorheen.
- Q-factor
- De verhouding tussen de energie die fusiereacties opleveren en de energie die nodig was om het plasma te verhitten.
- Tokamak
- Een donutvormige fusiereactor die met magneetvelden een heet plasma op zijn plek houdt.
- Synchrotronstraling
- Energieverlies dat ontstaat wanneer snelle, geladen deeltjes in een magneetveld worden afgebogen en daarbij straling uitzenden.
- Heliumas
- Het restproduct van fusiereacties dat, als het zich opstapelt, de brandstof in het plasma verdunt.
- Thermal runaway
- Een onstabiele situatie waarbij toenemende fusiewarmte steeds meer fusie veroorzaakt, wat in theorie tot oncontroleerbare opwarming kan leiden.
- Vloeibare lithiumwand
- Een wandbekleding van vloeibaar lithium die metaalverontreiniging in het plasma tegengaat en warmte beter vasthoudt.
- Spinpolarisatie
- Het vooraf uitlijnen van de spin van atoomkernen in de brandstof, waardoor fusiereacties vaker optreden.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
