De sleutel tot veiligere kernfusie? Nieuwe ontwerpen die op hol geslagen elektronen beteugelen

Een veelbelovende kandidaat voor de experimentele toepassing van de nieuwe bevindingen is ITER, het grootschalige internationale onderzoeksproject en voor kernfusie in Cadarache, Frankrijk. Credit © ITER Organization, http://www.iter.org

De kern van de ambitieuze onderneming om een fusiereactie op aarde mogelijk te maken, is het verhitten van materie tot meer dan 100 miljoen graden Celsius, waarna het een plasma wordt, een superheet mengsel van kernen en elektronen die niet aan hun atomen gebonden zijn. In het plasma smelten vrije atoomkernen samen, waarbij zwaardere atoomkernen met een hoger atoomnummer (en dus een ander chemisch element) worden gevormd. Als lichte atomen zoals deuterium, een isotoop van waterstof, samensmelten, komt interne bindingsenergie vrij. Hoewel er momenteel talloze prototypes van fusiereactoren worden ontwikkeld in verschillende faciliteiten over de hele wereld en er aanzienlijke vooruitgang is geboekt, voorspellen experts dat we nog jaren verwijderd zijn van een werkende reactor.

Het creëren en in stand houden van extreem hete plasma’s is geen sinecure omdat ze in een reactor moeten worden ‘vastgehouden’ met behulp van magnetische velden. Dit is een delicaat proces dat gevoelig is voor verstoringen als gevolg van de complexe interacties die plaatsvinden tussen het plasma, de magnetische velden en extra elektromagnetische krachten die worden opgewekt tijdens de reactie, wat leidt tot plotseling verlies van stabiliteit en botsingen met de reactorwand. Dit stopt onvermijdelijk de reactie en beschadigt de hardware van de reactor. Het optreden van onderbrekingen en de moeilijkheden om ermee om te gaan, hebben de vooruitgang in het bereiken van het langgezochte doel om meer energie uit kernfusie te produceren dan de reactor verbruikt, gehinderd. De uitdaging heeft te maken met de behoefte aan nauwkeurige diagnostiek en het onvermogen om snel te reageren op plasma-instabiliteiten. In een recent onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Letters, heeft een team van Amerikaanse wetenschappers onder leiding van Chang Liu van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) een manier voorgesteld om de schade van verstoringen te beperken door een van hun schadelijkste componenten te beteugelen: op hol geslagen elektronen.

Verstoringen in fusiereactoren kunnen worden gezien als plotselinge stormen die plaatsvinden binnen de gecontroleerde omgeving van een plasma. Een van de gevaarlijkste gevolgen van deze verstoringen is het ontstaan van ‘ontsnappende’ elektronen. Wanneer het plasma tijdens een verstoring instort, worden deze elektronen versneld tot snelheden die bijna gelijk zijn aan de lichtsnelheid en hun aantal zal naar verwachting groeien als een lawine, wat catastrofale schade aan de reactor kan veroorzaken. Recente experimentele studies in de Amerikaanse DIII-D reactor en de Duitse ASDEX Upgrade faciliteit hebben echter aangetoond dat dit aantal niet zo dramatisch toeneemt als eerder werd verwacht.

Om deze tegenstrijdigheid tussen empirische gegevens en theoretische verwachtingen op te lossen, begonnen Liu en collega’s aan een uitgebreide theoretische studie met als doel licht te werpen op de ingewikkelde relatie tussen elektronen, ionen en de elektromagnetische velden in de reactorkern. De resultaten van hun onderzoek kunnen een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we fusie-energie benaderen. Ze ontdekten dat de op hol geslagen elektronen zelf een uniek type elektromagnetische golven binnen het plasma genereren. Deze golven, bekend als Alfvén-golven, werden voor het eerst voorspeld in 1942 door de Zweedse natuurkundige Hannes Alfvén, die vervolgens de Nobelprijs kreeg voor deze ontdekking. Wanneer Alfvén-golven zich parallel aan de richting van het magnetische veld voortplanten, werken ze als een tegenkracht tegen de op hol geslagen elektronen. Ze remmen en verstrooien de hoogenergetische elektronen en vertragen zo hun potentieel destructieve groei. “Chang Liu’s werk laat zien dat de populatie van ontsnappende elektronen kan worden beheerst door instabiliteiten die worden aangedreven door de elektronen zelf,” zei Felix Parra Diaz, hoofd van de afdeling Theorie bij PPPL, in een persbericht. “Zijn onderzoek is erg opwindend omdat het zou kunnen leiden tot ontwerpen [van fusiereactoren] die op natuurlijke wijze de schade aan weglopende elektronen beperken door inherente instabiliteiten.”

Lees het complete artikel op de website van Advanced Science News.

Reference: Chang Liu et al, Self-Consistent Simulation of the Excitation of Compressional Alfvén Eigenmodes and Runaway Electron Diffusion in Tokamak Disruptions, Phys. Rev. Lett (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.085102