Electron Bernstein Wave: verhitting voor plasma dat te dicht is voor gewone golven
Stel je voor dat je door dikke mist met een zaklamp probeert te schijnen: op een gegeven moment is de mist zo dik dat het licht simpelweg terugkaatst en er niets meer doorheen komt. Iets vergelijkbaars gebeurt in bepaalde fusiereactoren met de radiogolven die worden gebruikt om het plasma te verhitten. Boven een bepaalde dichtheid van het plasma kaatsen gewone verhittingsgolven terug voordat ze hun doel bereiken. Onderzoekers noemen dat een "overdens" plasma.
Een Electron Bernstein Wave (EBW, elektron-Bernsteingolf) is een bijzonder type golf dat dit probleem omzeilt. In plaats van als een lichtstraal door de mist te reizen, gedraagt de EBW zich meer als een trilling die zich van deeltje naar deeltje voortplant, dwars door de dichte mist heen. Deze golf wordt vooral gebruikt in compacte kernfusie-experimenten, de zogeheten sferische tokamaks, waar het plasma vaak te dicht is voor conventionele verhittingsmethoden.
Wat is het precies?
In een fusiereactor wordt waterstofplasma (een extreem heet, elektrisch geladen gas) opgesloten met magneetvelden en verder verhit met golven, vergelijkbaar met een magnetron maar dan met veel hogere frequenties. Deze techniek heet elektron-cyclotronresonantieverhitting (ECRH): de golf wordt zo afgestemd dat hij precies resoneert met de draaibeweging van elektronen rond de magnetische veldlijnen, waardoor energie efficiënt wordt overgedragen.
Het probleem is dat de gewone elektromagnetische golven die hiervoor gebruikt worden (bekend als O-mode en X-mode) een harde grens kennen: boven een bepaalde plasmadichtheid, de cutoff-dichtheid, kunnen ze het plasma simpelweg niet meer binnendringen en worden ze gereflecteerd. In sferische tokamaks, compacte, appelvormige varianten van de klassieke donutvormige tokamak, is het magneetveld relatief zwak. Daardoor ligt deze cutoff-grens al snel binnen bereik van normale bedrijfscondities, en wordt het plasma "overdens".
Een Electron Bernstein Wave heeft dat probleem niet. Het is geen elektromagnetische golf die door de vrije ruimte kan reizen, maar een elektrostatische golf: een drukgolf van elektronen die alleen kan bestaan binnen het plasma zelf, vergelijkbaar met hoe geluid alleen door lucht of water kan reizen en niet door vacuüm. Omdat de EBW geen dichtheidsgrens kent, kan hij dieper het plasma in dringen en zeer efficiënt, soms bijna volledig, zijn energie afgeven op de plek waar de elektronen resoneren.
Het lastige is dat je een EBW niet direct van buitenaf de reactor in kunt schieten, omdat hij buiten het plasma niet bestaat. Onderzoekers gebruiken daarom een omweg die bekendstaat als O-X-B-modeconversie. Eerst wordt een gewone O-mode golf onder een precies berekende hoek de reactor in gestuurd. Op de rand van het overdense gebied zet deze golf om in een X-mode golf. Iets verderop, op een laag die de upper hybrid resonantie heet, zet de X-mode golf op zijn beurt om in de gewenste Electron Bernstein Wave. Vanaf dat punt reist de EBW verder naar binnen en wordt hij afgeleverd precies waar de elektronen op hun cyclotronfrequentie resoneren.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter EBW-onderzoek is het mogelijk maken van verhitting en stroomsturing in sferische tokamaks, een reactorvorm die aantrekkelijk is omdat hij potentieel compacter en goedkoper kan zijn dan de klassieke, grote tokamak. Zonder een manier om overdens plasma te verhitten, vallen gangbare golftechnieken grotendeels af voor dit soort machines.
Er speelt nog een tweede, misschien wel belangrijker doel mee: het opwekken van elektrische stroom in het plasma zonder een centrale solenoïde. Een solenoïde is een spoel door het midden van een klassieke tokamak die als een soort transformator werkt om de plasmastroom op te wekken. Die spoel neemt kostbare ruimte in het midden van de reactor in beslag, juist de plek die in een sferische tokamak al krap is, en beperkt bovendien hoe lang een reactor continu kan draaien. Doordat een EBW asymmetrisch geabsorbeerd kan worden, kan hij niet alleen verhitten maar ook gericht stroom in het plasma aandrijven. Dat opent de weg naar reactoren die (deels) zonder centrale solenoïde kunnen starten en blijven draaien, wat compactere en potentieel goedkopere ontwerpen mogelijk maakt.
Voorbeelden uit de praktijk
EBW-onderzoek is al zo'n twintig tot dertig jaar gaande op verschillende experimentele machines wereldwijd. Een paar tot de verbeelding sprekende voorbeelden:
- NSTX (National Spherical Torus Experiment) bij het Princeton Plasma Physics Laboratory in de Verenigde Staten was een van de eerste sferische tokamaks waarop onderzoekers systematisch EBW-emissie bestudeerden en experimenten deden met EBW-geassisteerde verhitting, met belangrijk werk vanaf begin jaren 2000.
- MAST (Mega Amp Spherical Tokamak) van het Culham Centre for Fusion Energy in het Verenigd Koninkrijk leverde belangrijke experimentele bevestiging van de O-X-B-koppeling en werd later opgevolgd door de upgrade MAST-U, waar dit onderzoek is voortgezet.
- QUEST, een sferische tokamak van Kyushu University in Japan, wordt al jarenlang gebruikt om te onderzoeken hoe EBW's kunnen helpen bij het opstarten van plasma zonder (of met een minimale) centrale solenoïde.
- TST-2 van de Universiteit van Tokio heeft, in samenwerking met Kyushu University, herhaaldelijk EBW-stroomsturing gedemonstreerd als bouwsteen voor niet-inductieve plasmascenario's.
- De stellarator Wendelstein 7-X van het Max Planck Institute for Plasma Physics in Duitsland (eerste plasma in 2015) is geen tokamak, maar kampt in bepaalde bedrijfsscenario's eveneens met overdens plasma en heeft EBW-gerelateerde verhittingsscenario's getest.
Ook het Britse private fusiebedrijf Tokamak Energy, dat met de ST40-machine werkt aan compacte sferische-tokamaktechnologie, en het Britse overheidsprogramma STEP volgen dit onderzoeksveld op de voet met het oog op toekomstige reactorontwerpen.
Hoe ver is de techniek?
De onderliggende natuurkunde van Electron Bernstein Waves is inmiddels goed begrepen en op meerdere machines experimenteel bevestigd: de O-X-B-modeconversie werkt, en EBW's kunnen zeer efficiënt worden geabsorbeerd, in sommige experimenten met bijna 100 procent absorptie op de beoogde plek. Dat is winst ten opzichte van sommige alternatieve verhittingsmethoden.
Toch is dit nog altijd experimentele, onderzoeksmatige technologie en geen kant-en-klaar onderdeel van een werkende energiecentrale. Een belangrijk technisch obstakel is dat de koppelefficiëntie van O naar X naar B sterk afhangt van de precieze hoek waaronder de golf wordt ingeschoten en van het dichtheidsprofiel aan de plasmarand, dat tijdens bedrijf voortdurend verandert. Kleine afwijkingen kunnen de efficiëntie flink laten dalen. Ook is het nog een uitdaging om met EBW voldoende stroom te genereren om, samen met andere methoden, een sferische tokamak volledig zonder centrale solenoïde te laten draaien over lange, continue pulsen.
Grote internationale projecten zoals ITER gebruiken vooralsnog geen EBW-verhitting, omdat dat een grote, klassieke tokamak is waar het plasma niet overdens is. EBW is dan ook vooral relevant voor de volgende generatie compacte en sferische reactorconcepten, waaronder ontwerpstudies zoals het Britse STEP-programma. Voor die machines is EBW een van de kanshebbers, maar de definitieve technische keuzes voor toekomstige energiecentrales liggen nog niet vast.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar Electron Bernstein Waves wordt gedragen door een relatief kleine, internationale gemeenschap van plasmafysici, geconcentreerd bij instituten die zelf sferische tokamaks of stellarators bedrijven. In de Verenigde Staten is dat vooral het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), met zijn ervaring op NSTX en de opvolger NSTX-U. In het Verenigd Koninkrijk trekt de UK Atomic Energy Authority (UKAEA), met het Culham Centre for Fusion Energy en de MAST(-U)-machine, dit onderzoek, mede met het oog op het STEP-reactorprogramma. Ook het private bedrijf Tokamak Energy is hier actief.
In Japan zijn Kyushu University (QUEST) en de Universiteit van Tokio (TST-2) al lange tijd vooraanstaand in EBW-experimenten, met een sterke focus op solenoïdevrij opstarten. In Duitsland draagt het Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP), bekend van de Wendelstein 7-X-stellarator, bij vanuit een net iets ander machineperspectief. Daarnaast publiceren onderzoeksgroepen wereldwijd, verspreid over academische centra in Europa en Azië, geregeld in gespecialiseerde tijdschriften zoals Plasma Physics and Controlled Fusion.