Binnenin een kernfusiereactor is het zo heet, dat hitte die ontsnapt snel de kop moet worden ingedrukt, om te voorkomen dat de metalen reactorwand smelt. Onderzoekers van het Nederlandse instituut DIFFER hebben met collega’s in het buitenland een meet- en regelmethode ontwikkeld om hete, aan het plasma ontsnapte, deeltjes beheerst te kunnen koelen.
Aan ambitie geen gebrek, bij de natuurkundigen en ingenieurs die werken aan kernfusie. Waar ze op mikken, is het bouwen van een metalen donut waarin de processen uit het binnenste van de zon plaatsvinden. Door de enorme hitte fuseren waterstofatomen met elkaar tot helium, een proces waarbij - als het goed gaat - netto meer energie vrijkomt dan je erin stopt.
Maar zover is het nog niet. Technici en fysici werken keihard aan manieren om kernfusie op een beheerste wijze te laten plaatsvinden (lees ook: ‘Kernfusie, de eeuwige belofte’). Die inspanningen moeten uitmonden in het werkend krijgen van de kernfusiereactor ITER, die op dit moment in Zuid-Frankrijk wordt gebouwd.
Koelen van het plasma
Een van de problemen die nog moeten worden getackeld, is dat de hitte uit het hart van het plasma de metalen wand niet mag raken. Als dat zou gebeuren, smelt de wand, of raakt hij op zijn minst beschadigd. Het lokaal koelen van het plasma gebeurt met het injecteren van kouder gas.
Alleen, hoeveel gas moet je injecteren en op welk moment? ‘Het regelen met die koele pufjes gas luistert heel nauw. Als je te veel injecteert, koelt het plasma te veel af en stopt de kernfusie. Maar als je te weinig inbrengt, merk je geen effect’, zegt Matthijs van Berkel, groepsleider Energy Systems & Control bij DIFFER, een instituut voor energieonderzoek in Eindhoven.
Camerabeelden
Samen met collega’s uit Nederland en Zwitserland ontwikkelden Van Berkel en zijn - destijds - promovendus Timo Ravensbergen een vernuftig meet- en regelsysteem om het fusieplasma precies genoeg te koelen (persbericht).
Dat bepaalt op basis van camerabeelden van het plasma de lokale temperaturen en rekent uit hoeveel er moet worden gekoeld en - dus ook - hoeveel afkoelend gas er moet worden geïnjecteerd. Ze beschrijven hun systeem in een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications (gratis toegankelijk), dat vandaag is verschenen.
Nieuwsbrief
Vind je dit een leuk artikel? Abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief!
Achthonderd keer per seconde
Het systeem is voor het eerst getest op de fusiereactor TCV van het EPFL Swiss Plasma Center. Bij het regelsysteem is een centrale rol weggelegd voor camerabeelden die het plasma filmen. ‘Camera’s leggen het licht vast dat het plasma uitzendt en vervolgens berekenen door ons ontwikkelde algoritmen uit deze beelden de temperatuur op verschillende locaties’, vertelt Van Berkel.
Een computermodel berekent vervolgens de optimale manier van koelen en dat vertaalt zich zijn het razendsnel open- en dichtgaan van de kleppen die koel gas binnenlaten. Deze regellus wordt per seconde achthonderd keer doorlopen.
Flexibele machine
Het systeem is nu getest op de tokamak van TCV in Zwitserland, een donutvormige reactor. ‘Dit is een relatief kleine en flexibele machine, waarop we ideeën snel kunnen testen en ontwikkelen’, zegt Christian Theiler van het Swiss Plasma Center, EPFL in het persbericht. Het testen verliep onverwacht succesvol, vertel Van Berkel. ‘Binnen slechts vier experimenten kwamen we tot een gesloten regellus, die het plasma aan de rand beheerst. Dit laat zien dat onze systematische aanpak werkt.’
ITER
Van Berkel verwacht dat het regelsysteem met aanpassingen ook in grotere kernfusiereactoren, zoals ITER en diens opvolger DEMO, te gebruiken is. Daarvoor is eerst nog meer vervolgonderzoek nodig. Het eerste waaraan hij met collega’s gaat werken is het maken van de beelden. Ze gebruiken tot nu toe maar één camera voor het ‘meten’ van de temperatuur van het plasma, terwijl het systeem op de Zwitserse reactor er tien aan boord heeft. Die willen zij nu ook gaan gebruiken, om nog nauwkeuriger de afkoelingprocessen te kunnen sturen.
Openingsfoto: Binnenin de TCV-tokamak van het EPFL Swiss Plasma Center. Deze fusiereactor is een middelgrote tokamak, die zich goed leent voor het snel testen van ideeën. A. Herzog / EPFL
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.