EnglishRadiogolven wekken stroom op in het hart van een fusieplasma: stap naar een centrale die continu draait
Onderzoekers bij de Amerikaanse fusiereactor DIII-D hebben voor het eerst duidelijk laten zien dat helicongolven, een soort radiogolven, stroom kunnen opwekken in het hart van een fusieplasma. Dat is een stap naar fusiecentrales die continu draaien in plaats van in korte stoten.
Onderzoekers bij de fusiereactor DIII-D in San Diego hebben voor het eerst duidelijk laten zien dat een bepaald soort radiogolven, helicongolven, een elektrische stroom kan opwekken diep in een fusieplasma. Ze beschrijven het resultaat in het vakblad Physical Review Letters. DIII-D is een onderzoeksreactor die het Amerikaanse bedrijf General Atomics beheert. Het werk werd geleid door Jeff Lestz, Bob Pinsker en Bart Van Compernolle van General Atomics.
Dat klinkt technisch, maar het raakt een groot probleem van dit soort fusiereactoren: ze kunnen nu alleen in korte stoten werken.
Waarom fusiereactoren nu in stoten werken
Een tokamak is een fusiereactor in de vorm van een donut. Binnenin zit plasma: gas dat zo heet is dat atoomkernen kunnen samensmelten en daarbij energie leveren. Sterke magneten houden dat hete plasma weg van de wand. Daarvoor is ook een grote elektrische stroom nodig die rondloopt door het plasma zelf.
Die stroom komt nu meestal van een grote spoel in het midden van de donut, die werkt als een transformator. Een transformator wekt alleen stroom op zolang het magneetveld van de spoel blijft veranderen, en dat kan niet eindeloos doorgaan. Is de spoel aan het eind van zijn bereik, dan moet de reactor stoppen en opnieuw beginnen. Bij DIII-D duurt zo'n stoot ongeveer tien seconden. Bij ITER, de veel grotere proefreactor die in Frankrijk wordt gebouwd, wordt dat in normaal bedrijf minder dan ongeveer duizend seconden, zo'n kwartier.
Een elektriciteitscentrale wil liever dag en nacht doordraaien. Daarvoor moet de stroom in het plasma op een andere manier in stand blijven.
Radiogolven als aandrijving
Eén manier is de stroom aandrijven met radiogolven. De golven gaan in één richting rond de donut. Het plasma neemt ze op, en daarbij duwen ze elektronen vooral die kant op. Zo gaat er extra stroom lopen.
Zulke methoden bestaan al. Maar in de grote, hete plasma's van een echte centrale worden sommige golven al aan de rand opgenomen, voordat ze het midden bereiken. Helicongolven worden minder snel door de elektronen opgenomen en kunnen daardoor dieper doordringen.
Bij DIII-D gebruikten de onderzoekers een heliconsysteem met een vermogen in de orde van een megawatt. De golven komen uit een speciale antenne van General Atomics: een rij zendelementen langs de donut, die elk net iets later trillen dan hun buurman. Dat werkt als een wave in een stadion: omdat iedereen net na zijn buurman opstaat, loopt de golf één kant op.
Wat de metingen laten zien
De golven gaven hun energie af in het hart van het plasma, zoals de berekeningen voorspelden. Om te zien of ze ook stroom opwekten, vergeleken de onderzoekers proeven met helicongolven met proeven waarin ze een vergelijkbare hoeveelheid gewone verwarming met microgolven gebruikten. Met de helicongolven veranderde het magneetveld in het plasma duidelijk sneller. Volgens de onderzoekers is dat een sterk teken van extra stroom, en het eerste overtuigende bewijs dat helicongolven stroom kunnen aandrijven.
Pogingen met vergelijkbare proeven gaan volgens Pinsker terug tot het midden van de jaren tachtig. De berekeningen uit die tijd voorspelden een heel zwak effect. Dat het idee toch bleef bestaan, komt mede door de Russische fysicus Victor Vdovin van het Koertsjatov-instituut, die er een groot voorstander van was.
De volgende stappen
De proeven gebeurden bij een bescheiden vermogen. Het plasma stond in een werkstand die zijn warmte minder goed vasthoudt dan de stand waarin een centrale straks zou werken. De volgende stap is werken met sterkere zenders en testen in andere werkstanden. Ook moet blijken hoe efficiënt de methode is.
Andere projecten kiezen voor andere golven. De Britse proefcentrale STEP wil bijvoorbeeld bijna tweehonderd microgolfbronnen gebruiken: eenvoudiger in te bouwen, maar met een nu nog laag rendement. Pinsker houdt het mogelijk dat helicongolven uiteindelijk de gekozen aanpak worden, maar vindt het nog te vroeg om dat zeker te zeggen.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Fusie-energie belooft veel elektriciteit zonder CO2-uitstoot. Een centrale moet dan wel continu kunnen draaien. Dit resultaat laat voor het eerst zien dat helicongolven daarbij kunnen helpen, omdat ze stroom opwekken precies waar dat nodig is: in het hart van het plasma. Er is nog veel werk te doen, maar elke stap naar een fusiecentrale die dag en nacht draait, brengt een grote, schone energiebron dichterbij. En energie is precies wat datacenters en nieuwe technologie steeds meer nodig hebben.
