Klimaat & energie › Commerciële kernfusie
Britse fusiereactor MAST Upgrade doorbreekt drukrecord en temt plasma-instabiliteiten
De Britse proefreactor MAST Upgrade heeft de hoogste plasmadruk ooit bereikt zonder dat het plasma instabiel werd. Onderzoekers van UKAEA onderdrukten daarbij gevaarlijke energie-uitbarstingen die commerciële kernfusie tot nu toe in de weg staan, een stap die direct meetelt voor de bouw van de Britse fusiecentrale STEP.
In het Engelse Oxfordshire heeft de tokamak MAST Upgrade zijn vijfde experimentenreeks afgerond. Tussen 2025 en nu produceerde de machine ruim 1.100 plasma's, de gloeiend hete wolken geladen deeltjes waarin kernfusie plaatsvindt. Daarbij werd de hoogste plasmadruk ooit in het toestel gemeten, zonder dat het plasma instabiel raakte. Een hogere druk betekent meer fusievermogen per volume-eenheid, en dus omstandigheden die dichter liggen bij wat een echte energiecentrale nodig heeft.
De belangrijkste horde was het onderdrukken van zogeheten Edge Localised Modes, kortweg ELM's. Dit zijn plotselinge uitbarstingen aan de rand van het plasma die in één klap tot tien procent van de opgeslagen energie kunnen wegslingeren. Op termijn beschadigen die uitbarstingen de binnenwand en de warmteafvoer van een reactor. Zonder oplossing vormen ELM's een serieuze belemmering voor commerciële fusie-energie.
Vier stabiele plasmaregimes in één machine
Het team van UKAEA gebruikte spoelen die driedimensionale magneetvelden opwekken om de plasmadruk aan de rand te verlagen en zo ELM's te voorkomen. Deze techniek, Resonant Magnetic Perturbations genoemd, werd gecombineerd met de zogeheten Quasi-Continuous Exhaust mode. Daarnaast ontsloten de onderzoekers twee extra stabiele bedrijfsregimes: Quiescent H-mode en I-mode. Beide zorgen voor betere energie-opsluiting terwijl de rand van het plasma stabiel blijft, zonder de destructieve energiepieken van klassieke ELM's. Daarmee beschikt MAST Upgrade nu over vier verschillende manieren om een plasma stabiel en hoogpresterend te houden, iets waarmee wereldwijd weinig andere fusiemachines kunnen concurreren.
Zelfsturend plasma en minder hitteschade
Het team ontwikkelde ook een wereldprimeur: een methode om de positie van het plasma in real time te controleren door het zichtbare licht te meten dat het waterstofisotoop deuterium uitzendt bij de divertor, het onderdeel dat overtollige warmte en deeltjes afvoert. Kleine verschuivingen in het plasma worden zo automatisch opgespoord, een stap richting toekomstige centrales die zonder voortdurend handmatig ingrijpen kunnen draaien. Verder bleek het injecteren van kleine hoeveelheden stikstof aan de rand van het plasma de warmte als licht te verspreiden, in plaats van geconcentreerd op de wand terecht te laten komen. Dat verlaagt de piekbelasting en slijtage van de binnenwand aanzienlijk, ook al is de geavanceerde Super-X-vormgeving van de divertor daarvoor alleen niet genoeg. Ook experimenteerde het team met zogeheten 'negative triangularity'-plasmavormen, waarmee hoog vermogen zonder ELM's mogelijk lijkt.
Opmaat naar STEP
"Deze resultaten bepalen letterlijk het ontwerp van toekomstige fusiecentrales", zegt James Harrison, hoofd wetenschap van MAST Upgrade bij UKAEA. Dit jaar krijgt de machine twee extra neutrale-bundelinjectoren, die de verwarmingscapaciteit verdubbelen, plus een Electron Bernstein Wave-systeem goed voor 1,6 MW extra vermogen. Diezelfde technologie is gepland voor STEP, de Spherical Tokamak for Energy Production die het Verenigd Koninkrijk vanaf 2040 in Nottinghamshire wil laten draaien. Een zesde experimentenreeks, gericht op onderzoek specifiek voor STEP, staat gepland voor 2028.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Door plasma-instabiliteiten te onderdrukken bij recorddruk, laat UKAEA zien dat de technische bouwstenen voor een werkende fusiecentrale steeds concreter worden. De resultaten stromen direct door naar het ontwerp van STEP, de Britse prototypecentrale die tegen 2040 elektriciteit moet leveren, en versterken de positie van het VK in de internationale race naar commerciële kernfusie.
- Tokamak
- Een donutvormig vat dat met sterke magneetvelden een hete plasmawolk vasthoudt zodat er kernfusie kan plaatsvinden.
- Edge Localised Mode (ELM)
- Een plotselinge energie-uitbarsting aan de rand van het plasma die schade kan toebrengen aan de wand van een fusiereactor.
- Divertor
- Het onderdeel van een fusiereactor dat overtollige warmte en verontreinigingen uit het plasma afvoert.
- Deuterium
- Een zware variant van waterstof die als brandstof dient in fusie-experimenten.
- Resonante magnetische perturbatie (RMP)
- Een techniek waarbij spoelen driedimensionale magneetvelden opwekken om de plasmarand te stabiliseren en ELM's te onderdrukken.
- Negatieve triangulariteit
- Een ongebruikelijke, naar binnen gebogen plasmavorm waarmee onderzoekers hopen hoog vermogen te bereiken zonder schadelijke energie-uitbarstingen.
- Electron Bernstein Wave (EBW)
- Een verwarmingstechniek met elektromagnetische golven die extra vermogen aan het plasma toevoegt en gepland is voor gebruik in de Britse fusiecentrale STEP.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
