Doorbraak voor kernfusie in Nieuwegein

ITER is de volgende stap in het internationale kernfusieonderzoek. Doel is het aantonen van de wetenschappelijke en technische haalbaarheid van kernfusie als schone, veilige en onuitputtelijke energiebron. De wanden van de fusiereactor zullen aan een ongekend intense stroom waterstofplasma blootstaan. Het waterstofplasma erodeert de wand en zorgt voor stapeling van brandstof in het wandmateriaal. Dit dreigt een langdurige bedrijfsvoering van de reactor in de weg te staan. Veel van de fysische en chemische processen die de wisselwerking tussen waterstofplasma en wanden bepalen zijn nog onbegrepen. De ongekend hoge intensiteit van het plasma veroorzaakt een zogenaamd ‘sterk gekoppelde regime’: door de wisselwerking tussen plasma en wand ontstaan deeltjes die in het plasma worden opgenomen. De reactorwand staat ook hieraan bloot. Dit ‘sterk gekoppelde’ regime zal ook de interactie tussen plasma en wand in ITER bepalen.

ITER moet aantonen dat het mogelijk is om langdurig energie op te wekken met kernfusie. In de fusiereactor smelten lichte atoomkernen (isotopen van waterstof) samen, waarbij veel energie vrij komt. Het fusieproces vindt plaats bij de extreem hoge temperatuur van 150 miljoen graden. Bij zulke hoge temperaturen vormt materie een plasma, een heet gas van geladen deeltjes. Een plasma kan worden opgesloten in een ringvormige reactor. Daarin houden magneetvelden het plasma vast. De energie die vrijkomt bij de fusiereactie kan men gebruiken om elektriciteit op te wekken, of om bijvoorbeeld waterstof te maken. ITER is ontworpen om gedurende tien minuten zo’n vijfhonderd megawatt op te wekken, tien maal meer dan wordt gebruikt voor het instandhouden van het hete fusieplasma.

Belasting van reactorwanden
Binnen het PSI-laboratorium van het FOM-Instituut Rijnhuizen in Nieuwegein verrichten onderzoekers uniek onderzoek om toegang te krijgen tot dit terra incognita. De zogenaamde boogontlading, een elektrische stroom door een gasmengsel, zorgt voor het ontstaan van het plasma. Door dit proces in een sterk magneetveld te laten plaatsvinden, konden de onderzoekers een plasma maken met een record dichtheid. Dit plasma geeft een belasting van de wand van tien megawatt per vierkante meter. In de toekomstige fusiereactor ITER verwacht men ook dergelijke condities. Ter vergelijk: aan het oppervlak van de zon is de vermogensdichtheid slechts vijf maal hoger.

Onverwacht hoog
De onderzoekers behaalden de onverwacht hoge efficiëntie van de plasmabron en hoge temperatuur van het plasma door slim combineren van het magneetveld en een geoptimaliseerde uitstroomopening. Doordat de plasmastroom het magneetveld buiten de uitstroomopening kruist, ontstaat extra verhitting, zo verklaren de onderzoekers hun resultaat. De resultaten zijn van groot belang voor het onderzoek naar de wisselwerking tussen waterstofplasma en reactorwanden. Met deze plasmabron kunnen de onderzoekers nu verschillende materialen testen onder de condities die straks ook ITER voorkomen.