Amerikaanse onderzoekers denken te hebben ontdekt waarom je in een kernfusiereactor de dichtheid niet ongestraft kan blijven opvoeren.

Als je energie opwekt door middel van kernfusie, wil je een zo hoog mogelijke dichtheid. Dan hebben atoomkernen namelijk de grootste kans om op elkaar te botsen en daarbij de energie af te geven waar het allemaal om te doen is. Helaas lijkt er een grens te zitten aan hoe hoog je de dichtheid kunt maken in een kernfusiereactor. Amerikaanse wetenschappers denken nu te hebben ontdekt waar die beperking vandaan komt. Kan ons dat helpen om toekomstige kernfusiereactors efficiënter te maken?

Eilandjes van vervuiling

Het hart van een kernfusiereactor is een donutvormige ruimte: de tokamak (zie foto). Hierin bevindt zich heet, geïoniseerd gas, oftewel plasma. De deeltjes in dat plasma worden van de reactorwand af gehouden met magnetische veldlijnen. Maar op sommige plaatsen draaien die veldlijnen zó omelkaar heen dat er afgesloten ‘eilandjes’ in het plasma ontstaan. Volgens David Gates en collega’s zijn die eilandjes er verantwoordelijk voor dat je op een gegeven moment de dichtheid van het plasma niet meer verder kunt opkrikken.

Wat doen die eilandjes dan precies? Sowieso koelen ze het plasma. Maar ze groeien ook naarmate je de dichtheid in de tokamak verhoogt. Uiteindelijk worden ze dan groot genoeg om ervoor te zorgen dat de stroom die door het plasma gaat, wordt verstoord. Aangezien deze stroom er mede voor zorgt dat het plasma bij elkaar wordt gehouden, vliegt het plasma hierdoor uit elkaar. Gevolg: geen fusiereacties meer.

Geen storende instabiliteiten

Kernfusieonderzoeker Jonathan Citrin (CEA) zegt dat het onderzoek zeker relevant is voor de kernfusiereactors zoals ITER, die momenteel wordt gebouwd in Frankrijk. “De hoeveelheid vermogen die je uit kernfusie haalt, neemt flink toe als je de dichtheid verhoogt. Dus als je weet hoe je dat laatste kunt doen zonder dat je storende instabiliteiten krijgt, kan dat erg belangrijk zijn.”

Marco de Baar, hoofd fusieonderzoek bij het Nederlandse DIFFER, noemt het onderzoek van Gates ook belangrijk, maar geeft aan dat kernfusie er niet direct van kan profiteren. “De studie vertelt ons niet wat we moeten doen om ervoor te zorgen dat die eilandjes stroom blijven geleiden.” Verder heeft Citrin nog wat reserves bij het model van Gates en collega’s. “Ze hebben nogal wat sterke aannames gedaan. Om het overtuigender te maken, zouden ze hun model moeten uitbreiden, zodat ze het kunnen toepassen op echte, experimentele situaties.”

Kortom: de heilige graal met betrekking tot kernfusie hebben we hier niet beet. Maar als Gates en zijn team gelijk hebben, snappen we wel weer ietsje beter wat er allemaal gebeurt in dat dichte, hete plasma in een kernfusiereactor. En wie weet kan vervolgonderzoek ons dan helpen om daar ons voordeel mee te doen in bijvoorbeeld ITER.

Bronnen: Physics of Plasma, PPPL (1), PPPL (2)

Beeld: EUROfusion 2014-2018/CC BY 4.0