Neutrale bundelverhitting
Stel je voor dat je een pan water wilt verwarmen, maar de pan zelf is van een materiaal dat niet door een vlam mag worden aangeraakt. Je zou dan iets moeten verzinnen om warmte er toch instabiel in te krijgen zonder de wand te raken. In de kernfusie staan onderzoekers voor een vergelijkbaar probleem: het plasma waarin fusie moet plaatsvinden, is zo heet (tientallen tot honderden miljoenen graden) dat het nooit de wand van het reactorvat mag raken. Het wordt daarom in bedwang gehouden door sterke magneetvelden, zoals in een tokamak of stellarator. Maar hoe krijg je energie in zo'n magnetisch opgesloten wolk zonder de opsluiting te verstoren?
Neutrale bundelverhitting is een van de belangrijkste antwoorden op die vraag. Onderzoekers schieten hierbij een bundel snelle, elektrisch neutrale atomen dwars door het magneetveld heen het plasma in. Omdat de deeltjes geen lading hebben, worden ze niet afgebogen door de magneten en kunnen ze ongehinderd het hart van het plasma bereiken. Daar botsen ze met de plasmadeeltjes, raken ze alsnog geladen en geven ze hun bewegingsenergie af als warmte. Het is te vergelijken met het ongezien naar binnen glippen van een boodschapper die pas bij aankomst zijn boodschap - in dit geval energie - aflevert.
Wat is het precies?
Het proces verloopt in een aantal duidelijke stappen. Eerst wordt een gas, meestal deuterium (een zware vorm van waterstof), omgezet in een plasma van ionen in een ionenbron. Deze ionen zijn elektrisch geladen en kunnen dus versneld worden met een sterk elektrisch veld, tot energieën van tientallen tot honderden duizenden elektronvolt (keV), of bij de allergrootste machines zelfs boven de 1 miljoen elektronvolt (MeV).
Die snelle ionen kunnen echter niet direct het plasma in, want ze zouden zelf door het magneetveld van de reactor worden afgebogen voordat ze diep genoeg doordringen. Daarom laat men de bundel eerst door een cel met neutraal gas gaan. Bij botsingen daarin nemen de ionen elektronen over en worden ze weer neutraal, terwijl ze hun hoge snelheid behouden. Dit heet neutralisatie via lading-uitwisseling.
De resulterende bundel van snelle, neutrale atomen wordt vervolgens de plasmakamer ingeschoten. Binnenin botst een neutraal atoom vroeg of laat met een plasmadeeltje, raakt daarbij zelf geïoniseerd en wordt dan alsnog door het magneetveld vastgehouden. De bewegingsenergie die het atoom onderweg had opgebouwd, komt zo terecht in het plasma en verhoogt de temperatuur ervan.
Een technische complicatie is dat neutralisatie van positief geladen ionen bij hoge energie (rond 1 MeV) heel inefficiënt wordt: bijna geen enkel ion krijgt dan nog een elektron terug. Voor grote reactoren zoals ITER gebruikt men daarom negatieve ionen (waterstof- of deuteriumatomen met een extra elektron), die bij hoge energie juist wél efficiënt te neutraliseren zijn. Het maken van stabiele, krachtige bundels negatieve ionen is technisch aanzienlijk lastiger dan met positieve ionen, en vormt een van de grote ingenieursuitdagingen van deze techniek.
Wat wil men ermee bereiken?
Fusiereactoren hebben plasma nodig dat heet genoeg is om waterstofkernen met voldoende kracht op elkaar te laten botsen zodat ze samensmelten. Alleen met de stroom die door het plasma zelf loopt (in een tokamak) kom je niet ver genoeg; er is aanvullende verhitting nodig. Neutrale bundelverhitting is naast andere methoden, zoals microgolfverhitting op elektronen- of ionenresonantiefrequenties, een van de belangrijkste manieren om die extra energie te leveren.
Een bijkomend voordeel is dat de bundel niet alleen warmte, maar ook impuls (draaimoment) op het plasma overdraagt, waardoor het plasma in rotatie kan worden gebracht. Die rotatie helpt om bepaalde instabiliteiten te onderdrukken die de opsluiting kunnen verstoren. Ook wordt de techniek gebruikt om extra brandstofdeeltjes diep in het plasma te injecteren en om plasmadiagnostiek uit te voeren, doordat de interactie tussen bundel en plasma meetbare signalen oplevert.
Het einddoel van dit onderzoeksveld als geheel is een werkende fusiereactor die netto energie oplevert. Neutrale bundelverhitting is daarbij geen doel op zich, maar een onmisbaar hulpmiddel om het plasma naar de temperaturen te krijgen waarbij fusiereacties in voldoende mate optreden.
Voorbeelden uit de praktijk
JET (Joint European Torus), bij Culham in het Verenigd Koninkrijk, gebruikt neutrale bundelverhitting al sinds de jaren tachtig en bouwde dit systeem in de loop der decennia uit tot een vermogen van enkele tientallen megawatt. JET leverde met deze en andere verhittingsmethoden in 1997 en opnieuw in 2021 en 2023 recordhoeveelheden fusie-energie uit deuterium-tritiumplasma's, voordat de machine in 2024 definitief buiten gebruik werd gesteld.
ITER, de internationale testreactor in aanbouw in Cadarache, Frankrijk, moet uiteindelijk twee tot drie bundellijnen krijgen die elk werken met negatieve deuteriumionen versneld tot ongeveer 1 MeV, met als doel gezamenlijk enkele tientallen megawatt aan het plasma toe te voegen. Omdat deze technologie nog niet eerder op deze schaal is gebouwd, wordt ze eerst getest in de PRIMA-faciliteit in Padua, Italië, met de deelexperimenten SPIDER (voor de ionenbron) en MITICA (voor de volledige bundellijn).
Wendelstein 7-X, de stellarator van het Max Planck Institut für Plasmaphysik in Greifswald, Duitsland, kreeg na de eerste plasma's in 2015 neutrale bundelverhitting toegevoegd om hogere plasmatemperaturen en langere ontladingen te kunnen bereiken, iets waar de machine sindsdien mee blijft experimenteren.
DIII-D van General Atomics in San Diego, Verenigde Staten, gebruikt al decennialang meerdere neutrale bundellijnen op basis van positieve ionen en geldt als een van de machines waarmee veel fundamentele kennis over deze techniek is opgebouwd.
Ook machines als EAST in China en KSTAR in Zuid-Korea zetten neutrale bundelverhitting in als onderdeel van hun verhittingssysteem, vaak in combinatie met supergeleidende magneten voor langdurige plasma-experimenten.
Hoe ver is de techniek?
Voor kleinere en middelgrote reactoren, met bundelenergieën tot enkele honderden keV op basis van positieve ionen, is neutrale bundelverhitting een volwassen, decennialang beproefde technologie die routinematig wordt ingezet, zoals bij JET en DIII-D.
Voor de energieniveaus die grote reactoren als ITER nodig hebben, rond 1 MeV met negatieve ionen, is de techniek veel minder uitontwikkeld. Het maken van stabiele, langdurige bundels negatieve ionen met voldoende stroom blijkt in de praktijk lastig; testfaciliteiten zoals MITICA in Italië kampen met tegenslagen en vertragingen bij het behalen van de beoogde bundelparameters. Deze vertragingen dragen bij aan de bredere vertraging van het ITER-project als geheel, dat al meerdere keren is bijgesteld; recente aankondigingen van de ITER-organisatie spreken over een aangepast tijdschema met eerste plasma pas in de jaren dertig van deze eeuw, met volledige deuterium-tritiumwerking nog later. Omdat dit soort planningen vaker is uitgesteld, is voorzichtigheid met exacte jaartallen op zijn plaats.
Kortom: het basisprincipe is bewezen technologie, maar het opschalen naar de energieën en vermogens die de volgende generatie reactoren nodig heeft, is nog een actief en onzeker ontwikkeltraject.
Wie werken eraan?
De ITER Organization in Frankrijk coördineert de ontwikkeling van het neutrale-bundelsysteem voor ITER, in samenwerking met partners uit de deelnemende landen en regio's (Europese Unie, Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India).
In Europa spelen het Max Planck Institut für Plasmaphysik (IPP) in Duitsland (Wendelstein 7-X, ASDEX Upgrade), het Britse UKAEA/Culham Centre for Fusion Energy (JET) en het Italiaanse Consorzio RFX in Padua (testfaciliteit voor de ITER-bundels) een centrale rol. In Frankrijk draagt de onderzoeksorganisatie CEA bij aan plasmaonderzoek en verhittingstechnologie.
In de Verenigde Staten bouwde General Atomics ruime ervaring op met neutrale bundelverhitting via DIII-D, terwijl het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) historisch gezien een van de pioniers van deze techniek was. In Japan werkt QST (National Institutes for Quantum Science and Technology) aan neutrale bundelsystemen voor onder meer de tokamak JT-60SA.