Radiogolven houden fusieplasma stabiel: stap naar continu draaiende reactor

Kernfusie belooft vrijwel onbeperkte, schone energie, maar de meeste proefreactoren kunnen nog niet lang achter elkaar draaien. Een team van natuurkundigen onder leiding van Jeff Lestz van General Atomics in San Diego heeft nu een methode gedemonstreerd die dat probleem moet oplossen. In het vakblad Physical Review Letters beschrijven de onderzoekers hoe ze met radiogolven een stroom in fusieplasma opwekten en in stand hielden, zonder gebruik van de traditionele spoeltechniek.

Waarom fusiereactoren vastlopen

De meeste fusie-experimenten gebruiken een tokamak: een donutvormig vat waarin plasma wordt vastgehouden door sterke magneetvelden. Een belangrijk deel van dat magneetveld ontstaat door een elektrische stroom die door het plasma zelf loopt. Bij klassieke tokamaks, zoals de DIII-D in San Diego en de grote ITER-reactor die in Frankrijk wordt gebouwd, wordt die stroom opgewekt door een centrale spoel, de zogeheten solenoïde. Die werkt als de primaire wikkeling van een transformator: alleen als de stroom in de spoel verandert, wekt hij stroom op in het plasma. Zodra de spoel zijn volledige bereik heeft doorlopen, de 'fluxswing', stopt dat proces en moet de reactor worden uitgeschakeld om de spoel te resetten. Bij de DIII-D duurt een pulsje daardoor maar ongeveer tien seconden, en zelfs de veel grotere ITER-reactor komt naar verwachting niet verder dan ongeveer duizend seconden.

Radiogolven als alternatief

Al in de jaren tachtig kwamen natuurkundigen met het idee om het plasma op een andere manier van stroom te voorzien: met radiogolven die elektronen in het plasma in één richting duwen. Gewone radiogolven worden echter te snel opgenomen aan de rand van het plasma, terwijl de stroom juist diep in de kern nodig is. Een speciaal type golf, de 'helicon', zou dieper kunnen doordringen omdat elektronen deze golven minder makkelijk absorberen. Om helicongolven gericht de juiste richting in te sturen, ontwikkelden de onderzoekers een 'comb-line-antenne': een rij zendelementen die elkaar net na elkaar laten trillen, waardoor een golfpatroon ontstaat dat het plasma instuurt. Elektronen die ongeveer even snel bewegen als de golven, 'surfen' daarop mee en houden zo de stroom op gang, zonder tussenkomst van de solenoïde.

Eerste duidelijk bewijs

Pas sinds enkele jaren zijn de technische onderdelen ver genoeg ontwikkeld om het idee goed te testen: de comb-line-antennes kunnen helicongolven efficiënt in één richting afvuren, de DIII-D-reactor kan plasma heet genoeg maken om de golven direct te absorberen, en meetapparatuur kan de kleine stroomveranderingen diep in het plasma waarnemen. Met een megawatt-sterk helicon-systeem zag het team van Lestz dat de golven hun energie in de kern van het plasma afgaven en dat het magnetische veld daardoor merkbaar sneller veranderde dan bij vergelijkbare verwarming zonder helicongolven. Dat verschil is het bewijs dat de golven daadwerkelijk extra stroom opwekten. Volgens onderzoeker Bob Pinsker, die al sinds de jaren tachtig onderzoek doet naar tokamak-fusie, is dit de eerste keer dat dit idee overtuigend is aangetoond. De techniek moet toekomstige reactoren helpen om niet in korte pulsen, maar continu stroom te produceren, een belangrijke stap richting bruikbare fusie-energiecentrales.