Klimaat & energie › Commerciële kernfusie
Amerikaans lab bouwt krachtigste 'appelvormige' kernfusiereactor ter wereld
Het Amerikaanse Princeton Plasma Physics Laboratory test met een nieuwe fusiereactor of een compactere, appelvormige variant van de tokamak de sleutel is tot betaalbare fusie-energie. De machine, NSTX-U, moet de krachtigste sferische tokamak ter wereld worden en gebruikt daarbij ook kunstmatige intelligentie.
Fusie-energie moet ooit stabiele stroom leveren door twee lichte atomen met elkaar te laten samensmelten, net als in de zon. Om dat voor elkaar te krijgen, bouwen onderzoekers al decennia machines die extreem heet plasma vasthouden met magneetvelden. Het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie, ontdekte dat niet alleen temperatuur en druk ertoe doen, maar ook de vorm van het apparaat zelf.
De bekendste vorm is de tokamak: een donutvormig vat, ook wel torus genoemd, waarin plasma rondcirkelt. PPPL test nu een compactere variant die meer op een uitgeholde appel lijkt dan op een donut: de sferische tokamak. Door het gat in het midden veel kleiner te maken, ontstaan gunstige eigenschappen voor de plasma-opsluiting, waardoor het plasma langer heet en dicht genoeg blijft om zichzelf te verwarmen.
Krachtigste ter wereld
Het testtoestel heet National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) en is de grootste sferische tokamak van de Verenigde Staten. Het moet uitgroeien tot de krachtigste ter wereld in zijn soort. De centrale magneetspoel kan tot 4 miljoen ampère stroom verwerken en een magneetveld van 1 tesla opwekken. Ter vergelijking: een gemiddelde bliksemflits haalt zo'n 30.000 ampère, en 1 tesla is 20.000 keer sterker dan het magneetveld aan het aardoppervlak. NSTX-U wordt uitgerust met geavanceerde meetapparatuur en gebruikt kunstmatige intelligentie om de prestaties te verbeteren en gegevens in real time te analyseren. Ook andere instituten en bedrijven mogen het toestel gebruiken om materialen en besturingssoftware te testen.
Drie voordelen van de appelvorm
Onderzoekers noemen drie redenen waarom de sferische vorm aantrekkelijk is voor een toekomstige fusiecentrale. Ten eerste is het apparaat compacter, waardoor er minder staal, beton en koper nodig is. "Bij een gewone tokamak met een veel grotere diameter heb je gewoon veel meer bouwmateriaal nodig," zegt Jack Berkery, plaatsvervangend onderzoeksdirecteur van NSTX-U. Ten tweede wikkelen de magneetveldlijnen zich anders om het toestel, waardoor het plasma stabieler blijft bij een relatief bescheiden magneetveld. Senior onderzoeker Stefan Gerhardt vergelijkt onstabiel plasma met badwater dat te wild beweegt: kleine golven kunnen uitgroeien tot een probleem dat warmte uit het plasma jaagt. Ten derde draait het plasma in een sferische tokamak makkelijker rond, aangedreven door bundels neutrale atomen. Dat rondwentelen rekt kleine golfjes in het plasma net zo lang op tot ze uiteenvallen, voordat ze warmte kunnen laten weglekken. "Sferische tokamaks hebben een voordeel omdat wetenschappers het plasma erin makkelijker kunnen laten draaien," aldus PPPL-directeur Steven Cowley.
Volgens PPPL is een hoge verhouding tussen plasmadruk en magneetdruk, ook wel beta genoemd, cruciaal: hoe hoger die waarde, hoe efficiënter het magneetveld wordt benut. Omdat sterke magneetvelden duur zijn om op te wekken, kan een sferische tokamak met een hoge beta uiteindelijk goedkoper kernfusie opleveren dan de klassieke donutvorm.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als sferische tokamaks inderdaad efficiënter en goedkoper blijken dan klassieke donutvormige reactoren, kan dat de bouw van betaalbare fusiecentrales dichterbij brengen. NSTX-U dient daarbij als testbed waarop ook AI-technieken voor besturing en data-analyse worden beproefd, wat de ontwikkeling van toekomstige reactoren kan versnellen.
- Sferische tokamak
- Een fusiereactor die lijkt op een uitgeholde appel in plaats van een donut, met een veel kleiner gat in het midden dan een gewone tokamak.
- Beta (plasmafysica)
- De verhouding tussen plasmadruk en magneetdruk; een hoge beta betekent dat een reactor efficiënt gebruikmaakt van zijn magneetveld.
- Neutrale bundelverhitting
- Een techniek waarbij bundels neutrale atomen in het plasma worden geschoten om het te verhitten en te laten ronddraaien.
- Tokamak
- Een donutvormig fusieapparaat dat plasma opsluit met magneetvelden, ontwikkeld in de jaren zestig.
- Torus
- De donutvormige geometrische vorm die de basis is van de klassieke tokamak.
- Plasma-opsluiting
- Het vasthouden van hete, geladen deeltjes (plasma) met magneetvelden zodat fusiereacties kunnen plaatsvinden.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
