Een aanhoudende, stabiele kernfusiereactie in Zuid-Korea bewijst nog maar eens dat kernfusie geen natuurkundig probleem meer is, maar een technisch probleem.

Onderzoekers hebben een kernfusiereactie 30 seconden lang laten aanhouden bij temperaturen van meer dan 100 miljoen graden Celsius. Hoewel de duur en de temperatuur op zich geen records zijn, brengt het gelijktijdig bereiken van hoge temperaturen en stabiliteit ons een stap dichter bij een levensvatbare fusiereactor. Wel moet de gebruikte techniek nog worden opgeschaald.

De meeste wetenschappers zijn het erover eens dat bruikbare kernfusie-energie nog tientallen jaren ver weg is, maar er is een gestage vooruitgang in begrip en resultaten. Bij een experiment in 2021 ontstond een reactie die genoeg energie opleverde om zichzelf in stand te houden. Ook wordt er gewerkt aan conceptuele ontwerpen voor een commerciële reactor, en gaat het werk aan de grote experimentele fusiereactor ITER in Frankrijk onverminderd door.

De vreemde evolutie van plezier: van spelende gekko’s tot sparrende spinnen
LEES OOK
De vreemde evolutie van plezier: van spelende gekko’s tot sparrende spinnen

30 seconden lang stabiel

Plasmafysicus Yong-Su Na van de Seoul National University in Zuid-Korea en zijn collega’s zijn er nu in geslaagd een reactie op te wekken bij de extreem hoge temperaturen die nodig zijn voor een levensvatbare reactor. Ook wisten ze het hete, geïoniseerde plasma 30 seconden lang stabiel te houden.

De beheersing van dit plasma is van vitaal belang. Als het de wanden van de reactor raakt, koelt het snel af, waardoor de reactie wordt gedoofd. Ook wordt dan schade toegebracht aan de reactorwand.

Onderzoekers gebruiken verschillende soorten magnetische velden om het plasma in bedwang te houden. Een voorbeeld daarvan is een edge transport barriere (ETB), die het plasma vormgeeft met een scherpe overgang in de druk bij de reactorwand. Dat voorkomt dat warmte en plasma ontsnappen. Een andere aanpak maakt gebruik van een interne transportbarrière (ITB), die juist een hogere druk creëert in het midden van het plasma. Beide kunnen instabiliteit veroorzaken.

Plasmadichtheid

Het team van Na gebruikte een aangepaste ITB-techniek in de Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR)-installatie. Daarmee bereikten ze een veel lagere plasmadichtheid. Die aanpak lijkt de temperaturen in de kern van het plasma te verhogen, en die aan de rand juist te verlagen, wat de levensduur van de reactoronderdelen zal verlengen.

Theoretisch natuurkundige Dominic Power van het Imperial College in Londen zegt dat je de energie die een reactor produceert op drie manieren kunt verhogen: je kunt het plasma heel heet maken, de dichtheid ervan verhogen, of de tijd dat je het opgesloten houdt verlengen.

‘Dit team komt tot de conclusie dat dichtheid wat lager is dan bij de traditionele aanpak, wat niet noodzakelijk een slechte zaak is, omdat het wordt gecompenseerd door hogere temperaturen in de kern van het plasma’, zegt hij. ’Het is een opwindend resultaat, maar er is grote onzekerheid over hoe goed ons begrip van de fysica schaalt naar grotere apparaten. Een apparaat als ITER is veel groter dan KSTAR’.

FIRE

Onderzoeker Na zegt dat een lage plasmadichtheid de doorbraak was, en dat snelle, meer energetische ionen in de kern van het plasma – de zogenaamde snelle ion-geregelde versterking (FIRE) – een integraal onderdeel vormen van de stabiliteit. Maar het team begrijpt de betrokken mechanismen nog niet helemaal.

De reactie werd na 30 seconden gestopt vanwege beperkingen van de apparatuur. Langere perioden zouden mogelijk moeten zijn. KSTAR is nu stilgelegd voor upgrades, waarbij koolstofonderdelen op de wand van de reactor worden vervangen door wolfraam, wat de reproduceerbaarheid van de experimenten moet verbeteren.

Technisch natuurkundige Lee Margetts van de universiteit van Manchester (VK) zegt dat we de natuurkunde van fusiereactoren steeds beter begrijpen, maar dat er nog veel technische hindernissen moeten worden genomen voordat we een werkende centrale kunnen bouwen.

Stroom opwekken

Een onderdeel daarvan is het ontwikkelen van methoden om warmte aan de reactor te onttrekken en die te gebruiken om elektrische stroom op te wekken. ’Dat is geen natuurkunde, dat is techniek’, zegt hij. ‘Bekijk het eens als een gas- of kolengestookte centrale: als je niets hebt om de warmte af te voeren, zegt het personeel al snel: ‘We moeten hem uitschakelen, omdat hij te heet wordt, straks smelt de reactor.’ Dat is precies de situatie hier.’

Fusienatuurkundige Brian Appelbe van het Imperial College in Londen is het ermee eens dat de wetenschappelijke uitdagingen haalbaar moeten zijn, en dat FIRE een stap voorwaarts is, maar ook dat commercialisering lastig zal zijn.

’De aanpak van kernfusie met magnetische opsluiting heeft een een lange geschiedenis van steeds verder evolueren om het volgende probleem op te lossen’, zegt hij. ’Waar ik een beetje nerveus of onzeker van word, zijn de technische uitdagingen van het bouwen van een economische rendabele energiecentrale.’