Edge Localised Mode: de plasma-uitbarstingen die kernfusiereactoren dwarszitten
Stel je een pan water voor die net niet kookt, maar waarbij af en toe toch een grote luchtbel loskomt en aan het oppervlak knapt. Iets vergelijkbaars gebeurt in de gloeiend hete plasmawolk van een fusiereactor: op de rand van het plasma bouwt zich spanning op, tot die zich in een korte, felle uitbarsting ontlaadt. Zo'n uitbarsting heet een Edge Localised Mode, afgekort ELM: een 'gelokaliseerde modus aan de rand'.
Deze uitbarstingen zijn geen storing van buitenaf, maar een intrinsiek kenmerk van de meest gangbare manier om plasma in een tokamak (een donutvormige fusiereactor) op te sluiten. Ze duren doorgaans maar een fractie van een milliseconde, maar spuwen in die korte tijd een golf van deeltjes en warmte naar de wand van de reactor. Voor kleine proefreactoren is dat vervelend maar hanteerbaar; voor de grote reactoren van de toekomst, die veel heter en energierijker moeten zijn, kunnen deze uitbarstingen de wand daadwerkelijk beschadigen. Daarom is de beheersing van ELM's een van de praktische puzzels die onderzoekers moeten oplossen voordat fusie-energie op grote schaal haalbaar wordt.
Wat is het precies?
Om ELM's te begrijpen moet je eerst weten wat een tokamak is. Dat is een donutvormig (torusvormig) vat waarin waterstofgas wordt verhit tot een plasma van meer dan honderd miljoen graden: een elektrisch geladen gaswolk die met sterke magneetvelden op zijn plaats wordt gehouden, ver van de metalen wand. Hoe beter het plasma wordt vastgehouden, hoe dichter en heter het kan worden, en hoe dichter je bij bruikbare fusie-energie komt.
In de jaren tachtig ontdekten onderzoekers dat een tokamak, mits met genoeg vermogen verhit, spontaan kan overschakelen naar een gunstiger opsluitingsregime: de high-confinement mode, kortweg H-mode. Deze doorbraak werd in 1982 voor het eerst waargenomen aan de ASDEX-tokamak van het Max Planck Institut für Plasmaphysik in Duitsland. In H-mode vormt zich aan de buitenrand van het plasma een soort onzichtbare, dunne schil met een zeer steile druk- en temperatuurovergang, de 'pedestal' genoemd (Engels voor voetstuk). Die schil houdt warmte en deeltjes veel beter binnen dan daarvoor, wat de prestaties van de reactor flink verbetert.
Het probleem is dat deze steile pedestal niet stabiel blijft groeien. Net zoals een zandheuveltje op een gegeven moment afschuift zodra de helling te steil wordt, wordt ook de drukgradiënt aan de plasmarand op een gegeven moment onhoudbaar. Er ontstaat dan een kortstondige instabiliteit, een combinatie van wat natuurkundigen 'peeling'- en 'ballooning'-instabiliteiten noemen, die de opgebouwde druk en deeltjes in een flits naar buiten afvoert. Dat is de ELM. Daarna bouwt de pedestal zich weer op, tot de volgende uitbarsting volgt. Bij een stabiele H-mode-ontlading herhaalt dit patroon zich vaak tientallen keren per seconde.
Onderzoekers onderscheiden verschillende typen ELM's, vooral op basis van hoe ze zich gedragen bij toenemend verwarmingsvermogen. De meest bestudeerde, Type I, zijn relatief groot en zeldzaam maar worden juist frequenter naarmate er meer vermogen in het plasma wordt gestopt. Kleinere, meer chaotische varianten worden Type II en Type III genoemd. Voor toekomstige krachtcentrales is vooral Type I problematisch, omdat elke uitbarsting relatief veel energie in één keer op de wand afzet.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel is niet om ELM's als zodanig te bestuderen, maar om de H-mode te kunnen gebruiken zonder de reactor te beschadigen. H-mode is namelijk de opsluitingsstand die de beste kans biedt op een netto-energiewinst uit fusie, en dus vrijwel onmisbaar voor een werkende fusiecentrale. Maar elke Type I-ELM stoot een golf van deeltjes en warmte af die neerkomt op de divertor: het onderdeel van de reactor, meestal gemaakt van wolfraam, dat is ontworpen om de meeste warmte en verontreinigingen op te vangen.
Bij grote toekomstige reactoren zoals ITER zou een onbeheerste Type I-ELM in één klap zoveel energie op een klein oppervlak van de divertor kunnen afzetten dat het materiaal lokaal smelt of erodeert. Herhaal dat duizenden keren, en de divertor slijt sneller op dan bedoeld, met kostbaar onderhoud en stilstand tot gevolg. Het doel van ELM-onderzoek is daarom drieledig: de uitbarstingen volledig onderdrukken, ze verkleinen en verdichten tot een onschuldiger stroom kleine pulsen, of alternatieve opsluitingsregimes vinden die de voordelen van H-mode bieden zonder de grote uitbarstingen. Kortom: de beloning van H-mode behouden, zonder de rekening die ELM's daarvoor kunnen presenteren.
Voorbeelden uit de praktijk
Het onderzoek naar ELM-beheersing steunt sterk op experimenten met bestaande tokamaks, waarvan enkele mijlpalen goed gedocumenteerd zijn.
Aan de DIII-D-tokamak van General Atomics in de Verenigde Staten toonde een team onder leiding van natuurkundige Todd Evans in 2006 voor het eerst aan dat kleine, zorgvuldig afgestemde magnetische verstoringen aan de plasmarand grote ELM's volledig konden onderdrukken. Deze techniek, resonante magnetische perturbatie (RMP) genoemd, gebruikt extra spoelen rond het plasma die een klein, herhalend 'kreukje' in het magneetveld aanbrengen. Dat kreukje verstoort de opbouw van de scherpe pedestal net genoeg om de grote uitbarstingen te voorkomen, zonder de algehele opsluiting te veel te verslechteren.
De Zuid-Koreaanse tokamak KSTAR bouwde hierop voort en liet in 2012 zien dat ELM-onderdrukking met RMP-spoelen ook werkte met een eenvoudigere magnetische configuratie, wat het praktisch toepasbaarder maakte voor toekomstige reactorontwerpen.
Bij JET (Joint European Torus) in het Verenigd Koninkrijk, tot de sluiting in 2023 de grootste operationele tokamak ter wereld, is uitgebreid geëxperimenteerd met 'pellet pacing': het injecteren van kleine bevroren waterstofkorrels in het plasma om op commando kleine, onschuldige ELM's te ontlokken in plaats van te wachten op grote, spontane uitbarstingen.
Ook ASDEX Upgrade, de opvolger van de tokamak waar H-mode ooit werd ontdekt, blijft een centrale rol spelen in het testen van ELM-mitigatietechnieken en het in kaart brengen van alternatieve, ELM-arme opsluitingsregimes zoals de zogeheten I-mode en quiescent H-mode (QH-mode), waarin de scherpe pedestal-instabiliteit wordt vermeden zonder dat de goede opsluiting verloren gaat.
Hoe ver is de techniek?
ELM-beheersing is geen geïsoleerd doel maar een onderdeel van decennialang H-mode-onderzoek, en op de kleinere bestaande tokamaks is de techniek relatief volwassen: RMP-onderdrukking en pellet pacing zijn allebei experimenteel aangetoond en worden routinematig bestudeerd. De grote onzekerheid zit in de opschaling naar een reactor van de omvang en het vermogen van ITER, dat momenteel in Zuid-Frankrijk wordt gebouwd en is ontworpen met specifieke ELM-controlespoelen aan boord.
Wat op DIII-D of KSTAR werkt bij een bepaalde combinatie van plasmadichtheid, magneetveldsterkte en vermogen, vertaalt zich niet automatisch naar een groter, heter plasma: de fysica van de pedestal-instabiliteit is gevoelig voor tal van parameters die op reactorschaal anders uitpakken. Onderzoekers gebruiken daarom steeds geavanceerdere computersimulaties, naast experimenten, om te voorspellen welke combinatie van magneetspoelen en pelletinjectie bij ITER het beste zal werken. Een aanvullende complicatie is dat de ELM-controlespoelen zelf ook het plasma iets minder goed opsluiten, wat betekent dat ontwerpers voortdurend een afweging maken tussen veiligheid voor de divertor en verlies aan prestaties.
Een eerlijke inschatting is dat de basisprincipes goed worden begrepen en herhaaldelijk experimenteel bevestigd zijn, maar dat pas de eerste hoogvermogen H-mode-ontladingen in ITER, die niet vóór het einde van dit decennium worden verwacht, definitief zullen uitwijzen of de huidige mitigatiestrategieën op die schaal voldoende werken.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is sterk internationaal verspreid over de grote fusielaboratoria. In de Verenigde Staten is General Atomics met de DIII-D-tokamak in San Diego een van de belangrijkste centra voor ELM-experimenten, in nauwe samenwerking met het Amerikaanse ministerie van Energie. In Duitsland zet het Max Planck Institut für Plasmaphysik dit werk voort op ASDEX Upgrade, terwijl in Zuid-Korea het Korea Institute of Fusion Energy de KSTAR-tokamak beheert.
Binnen Europa wordt fusie-onderzoek, waaronder ELM-studies op JET en andere Europese tokamaks, gecoördineerd via het EUROfusion-consortium, waarin tientallen onderzoeksinstellingen uit EU-lidstaten samenwerken. China draagt bij met de EAST-tokamak, en Japan met JT-60SA, dat sinds de recente ingebruikname eveneens wordt ingezet voor opsluitingsonderzoek. Al deze nationale programma's voeden op hun beurt het ontwerp van ITER, het internationale project waarin de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India samenwerken en waar de opgedane kennis over ELM-beheersing voor het eerst op volle reactorschaal wordt getoetst.