Waarom het Max Planck Institute plasma wilde koken in zijn Fusion Reactor

Er is niets zoals een fusiereactor om opwinding te genereren. Na negen jaar bouwen en € 1 miljard, hebben wetenschappers van het Max Planck Institute of Plasma Physics op 10 december de eerste warme test van het Wendelstein 7-X fusie-apparaat afgevuurd en een heliumplasma gegenereerd dat een tiende van een seconde duurde en bereikte een miljoen graden Celsius. Maar raak nog niet te hyped. Dit was slechts een stap in de richting van het voorbereiden van het apparaat op zijn ware doel: het bestuderen van kernfusie met waterstofgas.

Oké, nu ben je gepompt.

Fusie is lange tijd het gouden kalf geweest van onderzoek naar kernenergie, waarbij kernsplijting in alle categorieën werd getoond, met uitzondering van haalbaarheid. Fusie produceert een enorme hoeveelheid energie - het is tenslotte hetzelfde proces dat de zon aandrijft. Maar de kracht ervan maakt het een pijn in de kont om mee om te gaan. Elke tot dusver gebouwde fusiereactor verbruikte meer vermogen dan hij produceerde. Het record voor fusievermogen werd vastgesteld in 1997: 16 megawatt geproduceerd met een ingangsvermogen van 24 megawatt. Maar als iemand erin slaagt om die vergelijking om te draaien … Kun je zeggen goedkope, koolstofvrije energie?

In tegenstelling tot zijn minder geavanceerde neef produceert fusie geen radioactief afval. De toevoercyclus van waterstof is minder problematisch dan de toevoercyclus van uranium. Om eerlijk te zijn, zijn de meest voorkomende bronnen van waterstof tegenwoordig steenkool en aardgas, maar waterstof kan in plaats daarvan worden geproduceerd door elektrolyse.

Fission en fusion lijken in twee opzichten op elkaar. Beide gebruiken de omzetting van atomen van één element in atomen van een ander element, en beide werden voor het eerst gebruikt als wapens. Fat Man en Little Boy, de splijtingsbommen die in 1945 op Hiroshima en Nagasaki waren gevallen, maakten in 1952 plaats voor fusion-apparaten zoals Ivy Mike. (Hoewel Ivy Mike niet als een bom werd gebouwd, werd het al snel gevolgd door thermonucleaire kernkoppen van vele megaton in opbrengst, allemaal te leveren door intercontinentale raketten.)

De fusiebom stond niet voor niets bekend als een H-bom: de ongekende vrijgave van energie kwam van de fusie van waterstofatomen. Fusie-onderzoekers proberen dit effect te benutten voor civiele energieopwekking. Blijkbaar is dit een uitdaging. Waterstofversmelting aan het aardoppervlak vereist temperaturen van meer dan één miljoen graden Celsius. Bij deze temperaturen worden waterstof en helium een ​​plasma, de vierde vorm van materie.

Maar wat is in godsnaam een ​​plasma eigenlijk?

Kort gezegd, een plasma is een geïoniseerd gas. In een plasma lossen alle moleculaire bindingen op en verlaten elektronen hun gastheeratomen. Plasma's zijn sterk geleidend omdat ze een hoge ladingdraaggolfdichtheid hebben, d.w.z. dat de elektronen en ionen vrij zijn om onafhankelijk van elkaar te bewegen als reactie op een elektrisch veld.

Hoewel dit allemaal exotisch klinkt, verschijnen er regelmatig plasma's in ons leven. Het licht van bliksemschichten en neonreclames komt van elektronen die recombineren met ionen en zinken naar lagere kwantumtoestanden, een proces dat bekend staat als spontane emissie. Sommige vlammen zijn heet genoeg om uitlaatgassen te ioniseren, en plasmatoortsen, plasmaschermen en booglassers maken allemaal gebruik van plasma's.

Maar al die hebben niets op het plasma in een fusiereactor. Bij een miljoen graden Celsius zijn de atomen in de fusiesoep buitengewoon energiek. Als ze niet worden vastgehouden, zullen ze afstoten, het apparaat beschadigen en niet met elkaar fuseren. Zonder inperking zou je waarschijnlijk nooit een miljoen graden bereiken in de eerste plaats.

Insluiting is de grote uitdaging in fusieonderzoek. Het plasma moet in een besloten ruimte worden bewaard en mag de wanden van het fusievat niet raken. Vanzelfsprekend moet het vat onder hoog vacuüm worden gehouden. Wendelstein 7-X gebruikt 65 vacuümpompen om de druk op 0,000000001 millibar te houden. (Dat is 0.000001 Pascals voor jullie SI-geliefden.) Het enige realistische middel om een ​​geïoniseerd gas te beperken tot hels temperaturen is om het in een magnetisch veld te houden. En dit is waar dingen echt lastig worden.

Jarenlang was het meest populaire ontwerp van de fusiereactor de tokamak. In jaren voordat supercomputers schaakten, mensen naar Jeopardy gooiden, en gevouwen eiwitten, kwamen wetenschappers met slimme manieren om het correct gevormde magnetische veld te produceren. In een tokamak, een elektrische stroom die door de plasma-paren loopt met externe elektromagneten om het noodzakelijke magnetische veld te creëren.

Niet zo in Wendelstein 7-X. Hier is het containment-veld volledig afkomstig van externe supergeleidende elektromagneten. Het onderzoeksteam gebruikte een supercomputer om de vorm van deze magneten te optimaliseren en de noodzaak van een plasmastroom te elimineren. Deze stijl van fusiereactor staat bekend als een stellarator.

Tot nu toe heeft niemand een fusiereactor gebouwd die meer energie genereert dan hij verbruikt. Zelfs Wendelstein 7-X, de grootste reactor van het stellarator-type ter wereld, is gebouwd voor onderzoeksdoeleinden en niet om energie te genereren. Maar als u uw hoop wilt investeren in een fusieproject, is Wendelstein 7-X een goede plek om te beginnen. Zorg ervoor dat je ook ITER in de gaten houdt, dat het de grootste tokamak ter wereld is.