Piepklein beetje wolfraam kan kernfusie flink lastiger maken

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie, hebben een nieuw theoretisch model ontwikkeld voor kernfusie. Hun belangrijkste conclusie: als er maar één wolfraamatoom op elke tienduizend deeltjes in het fusieplasma terechtkomt, kan de druk die nodig is om fusie op gang te houden ruwweg verdubbelen. Dat is een probleem, want meer dan een dozijn nieuwe fusiereactoren gebruikt wolfraam voor de binnenwand, omdat dit metaal extreme hitte kan verdragen.

Het team werkte een verouderde natuurkundige vuistregel bij: het Lawson-criterium, zo'n zeventig jaar oud en bedoeld om te bepalen of plasma heet en dicht genoeg is om fusie vol te houden zonder verdere externe verhitting. De oorspronkelijke versie ging uit van een ideale situatie. De PPPL-onderzoekers voegden vier realistische verstoringen toe: heliumas die achterblijft na fusiereacties, lichte en zware verontreinigingen vanuit de reactorwand, synchrotronstraling en warmte die uit het plasma weglekt. Met die factoren erbij blijkt een tokamak of andere fusiereactor veel zwaardere eisen te moeten halen dan de simpele theorie suggereert.

Wolfraam als spelbreker

In een theoretisch zuiver plasma, zonder verontreiniging, ligt het omslagpunt waarop plasma zichzelf warm houdt bij een fusiewinst van ongeveer 5: het plasma levert dan vijf keer zoveel energie op als er aan verhitting wordt ingestopt. Komt er wolfraam bij, dan stijgt die vereiste drastisch. In tweedimensionale berekeningen verdubbelt de benodigde druk al. Reken je het effect door in drie dimensies, dan kan de druk zelfs voorbij het punt komen waarop het plasma nog stabiel blijft. Onderzoekers denken dat een wand bekleed met vloeibaar lithium wolfraam buiten het plasma kan houden en bovendien warmte beter vasthoudt. Ook brandstof met vooraf uitgelijnde atoomkernen, spin-gepolariseerde fusiebrandstof genoemd, zou de reactiesnelheid kunnen verhogen.

Eerst verhitten, dan verdichten

Opvallend is dat het model ook een mogelijk zuinigere strategie blootlegt. In plaats van eerst de dichtheid van het plasma op te voeren en het daarna te verhitten, zou het andersom efficiënter zijn: eerst verhitten, dan de dichtheid verhogen. PPPL-natuurkundige Luis Delgado-Aparicio vergelijkt het met het beklimmen van een berg: in plaats van recht over de top te klimmen, is het slimmer om er omheen te gaan. Die route loopt via het zogeheten Cordey-zadel, het laagste punt op de grens tussen plasma dat nog externe verhitting nodig heeft en plasma dat zichzelf kan onderhouden.

Nog puur theoretisch

De bevindingen zijn vooralsnog theorie. Geen bestaand experiment bereikt de omstandigheden rond het Cordey-zadel die nodig zijn om de nieuwe, warmte-eerst-route te testen. Het team wil daarom eerst digitale experimenten uitvoeren. Interessant is dat dezelfde energieverliezen die ontsteking moeilijker maken, tegelijk een brandend plasma kunnen stabiliseren: ze remmen het risico dat de temperatuur in een ongecontroleerde kettingreactie verder oploopt. De studie is gepubliceerd in Physical Review Letters.