Nieuwe rekenformule wijst kortere weg naar kernfusie-energie

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie, hebben berekend dat de volgorde waarin je plasma verhit en comprimeert enorm veel verschil maakt. Hun bevindingen, gepubliceerd in Physical Review Letters, laten zien dat een omgekeerde aanpak de energierekening voor kernfusie flink kan verlagen. Fysici Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono en Jonathan Menard breidden daarvoor het bekende Lawson-criterium uit, de rekenregel die al zeventig jaar bepaalt onder welke voorwaarden fusie zichzelf in stand kan houden.

Om de berg heen in plaats van eroverheen

De meeste huidige fusieprojecten verdichten het plasma eerst en pompen er vervolgens enorme hoeveelheden warmte in om de reactie te starten. Delgado-Aparicio vergelijkt dat met het beklimmen van een berg: wie rechtstreeks over de top klimt, verbruikt onnodig veel energie. Zijn team ontdekte een soort bergpas, de 'Cordey-zadel' genaamd, waarbij eerst verhitten en daarna pas comprimeren tot dezelfde eindtoestand leidt, maar met veel minder energie. De efficiëntie van zo'n traject wordt uitgedrukt in de Q-waarde: de verhouding tussen de energie die fusie oplevert en de energie die je erin moet stoppen. Bij een ideaal, zuiver plasma ligt dat omslagpunt rond Q=5.

Verontreiniging maakt een groot verschil

In de praktijk is plasma nooit zuiver. De onderzoekers rekenden vier extra factoren mee die veel eerdere studies apart behandelden: de opbouw van heliumas als restproduct van fusie, verontreiniging door materiaal uit de reactorwand, energieverlies door synchrotronstraling van elektronen in het magneetveld, en warmteverlies dat toeneemt bij hogere temperaturen. Vooral de uitkomst over wolfraam, een hittebestendig metaal dat in tientallen geplande fusiereactoren als wandmateriaal dient, is opvallend: al bij een concentratie van één deeltje op tienduizend kan wolfraamverontreiniging de benodigde druk voor ontsteking verdubbelen. In driedimensionale berekeningen bleek die druk soms zelfs de grens te overschrijden waarbij het plasma nog stabiel blijft.

Betekenis voor toekomstige reactoren

De bevindingen zijn relevant voor zowel tokamaks als stellarators, de twee belangrijkste typen magnetische fusiereactoren waaraan onderzoeksinstituten en bedrijven wereldwijd werken. Door dit soort effecten vroeg in het ontwerpproces mee te nemen, kunnen dure misrekeningen worden voorkomen voordat een reactor daadwerkelijk wordt gebouwd. Volgens Ono geeft het model een realistischer beeld: wie de verstorende factoren negeert, denkt dat een ontwerp zal werken, maar zodra je ze meerekent verandert het plaatje aanzienlijk. Het team onderzoekt ook hoe sommige van deze energieverliezen de werking van een brandend plasma juist stabieler kunnen maken, wat de ontwikkeling van toekomstige fusiecentrales verder kan versnellen.