Japanse fusiemagneet doorstaat test met recordstroom van 40.000 ampère

Kernfusie geldt als de heilige graal van schone energie: dezelfde reactie die de zon aandrijft, maar dan gecontroleerd op aarde. Een van de grootste technische hindernissen is het bouwen van magneten die het gloeiend hete plasma in bedwang houden. Het Japanse bedrijf Helical Fusion claimt nu een belangrijke stap te hebben gezet met een nieuw type magneetspoel dat een zware praktijktest heeft doorstaan. De resultaten zijn gepubliceerd in het vakblad Journal of Physics: Conference Series en vielen samen met een goedkeuring binnen het Japanse overheidsprogramma MEXT SBIR.

Helical Fusion bouwt, in tegenstelling tot de bekendere tokamak-reactoren, aan een stellarator. Dat type reactor gebruikt ingewikkeld gevormde, driedimensionale spoelen om plasma te beteugelen, in plaats van de symmetrische ringvorm van een tokamak. Die complexe vorm maakt het lastiger om spoelen te bouwen die tegelijk veel stroom kunnen verwerken en bestand zijn tegen enorme mechanische krachten.

Een spoel zonder isolatie

Om dat probleem op te lossen ontwikkelde het bedrijf een conductorontwerp genaamd UROCOIC, een afkorting voor Unitized Reinforcing Outer Cover On Internal Components. Om de kwetsbare supergeleidende tape zit een metalen ommanteling die als een soort pantser de mechanische schokken opvangt, zodat het gevoelige binnenwerk niet buigt of scheurt.

Opvallend is dat de testspoel, een zogeheten dubbele pannenkoekspoel, gebouwd is zonder de gebruikelijke elektrische isolatie tussen de wikkelingen. Bij normale supergeleidende magneten zorgt isolatie er juist voor dat warmte op één plek blijft hangen. Warmt een klein stukje spoel per ongeluk op, dan kan dat leiden tot een quench: het moment waarop het materiaal plotseling zijn supergeleidende eigenschappen verliest en de stroom abrupt stokt, wat de magneet kan beschadigen. Door de isolatie weg te laten, kan warmte en stroom juist om zo'n heet plekje heen vloeien, wat het systeem stabieler maakt.

Extreme kou en enorme krachten

Onderzoekers van Helical Fusion en het Japanse National Institute for Fusion Science plaatsten de testspoel in een cryogene testkamer en koelden die tot 10 Kelvin, oftewel min 263 graden Celsius. Tijdens de test liep de temperatuur op tot 30 Kelvin, omgerekend min 243 graden Celsius of min 405 graden Fahrenheit. Met externe spoelen brachten de onderzoekers een magnetisch achtergrondveld van 7 Tesla aan, wat op de testspoel zelf opliep tot een maximale veldsterkte van 8,9 Tesla, ruwweg honderdduizend keer sterker dan het aardmagneetveld.

Onder deze omstandigheden liet het team continu een stroom van 40 kiloampère door de spoel lopen, zonder dat er een quench optrad. De spoel doorstond bovendien een kracht van 356 kilonewton per meter, veroorzaakt door de wisselwerking tussen stroom en magneetveld. Ook bij plotselinge veranderingen in het externe magneetveld bleef de ongeïsoleerde spoel stabiel, wat de onderzoekers waardevolle data opleverde over hoe snel stroom zich door de wikkeling herverdeelt.

Op weg naar Helix KANATA

Volgens Helical Fusion levert de test direct bewijs dat de conductor bestand is tegen de krachten die in een echte fusiereactor optreden. Het bedrijf wil de technologie inzetten in zijn volgende testmachine, Helix HARUKA. Slagen die proeven, dan is het doel om de conductor op te schalen voor Helix KANATA, een volwaardige commerciële fusiecentrale die het bedrijf voor de jaren 2030 op de planning heeft staan. Mede-oprichter en vicedirecteur techniek Junichi Miyazawa noemt de test een volgende stap richting 's werelds eerste commercieel levensvatbare fusiecentrale op basis van een stellarator.