De kracht van fusie-energie kan eindelijk worden losgelaten dankzij een nieuwe natuurkundige update

In de wereld van hernieuwbare energie is er misschien geen ambitieuzer doel dan fusie-energie. Dit omvat het samensmelten van waterstofatomen om helium te vormen – een proces dat als resultaat een ongeldige hoeveelheid energie genereert. Het is een reactie die elk moment in de zon plaatsvindt, maar het op aarde repliceren is een vervelend en zeldzaam proces. Als we echter succesvol zijn, hebben we toegang tot een schone bron van hernieuwbare elektriciteit die voldoet aan onze groeiende energiebehoeften.

Daartoe streven de onderzoekers naar een fenomeen dat ‘ontsteking’ wordt genoemd, waarbij een fusiereactor meer energie genereert dan nodig is om de eerste reactie te creëren. Om dit doel te bereiken worden enkele grote pogingen ondernomen, waaronder de International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in Frankrijk. Deze inspanning maakt gebruik van krachtige magneten in een machine genaamd een tokamak om oververhit plasma te creëren dat is gemaakt met waterstofbrandstof.

Maar hier is het addertje onder het gras: er is maar zoveel waterstofbrandstof die je in een tokamak kunt doen voordat alles fout begint te gaan.

“Een van de beperkingen bij het maken van plasma in een tokamak is de hoeveelheid waterstofbrandstof die je erin kunt injecteren”, zegt Paolo Ricci, een onderzoeker bij het Zwitserse plasmacentrum. Hij zei in een persbericht:. “Vanaf de begindagen van fusie wisten we dat als je de dichtheid van de brandstof probeert te vergroten, er op een gegeven moment zal zijn wat we een ’turbulentie’ noemen – je raakt in feite de beknelling volledig kwijt, en het plasma gaat waarheen het is.”

Om dit probleem op te lossen, gingen de wetenschappers op zoek naar verschillende vergelijkingen om de maximale hoeveelheid waterstof te meten die je voor de pauze in de tokamak kunt stoppen. Een van de wetten die eraan is vastgehouden en een steunpilaar is geworden in de wereld van fusieonderzoek, staat bekend als de “Greenwald-limiet”, die stelt dat de hoeveelheid brandstof die een tokamak kan gebruiken direct gerelateerd is aan de straal van de machine. De onderzoekers achter ITER hebben zelfs hun apparaten gebouwd op basis van deze wet.

Maar zelfs de limiet van Greenwald was niet perfect.

“De Greenwald-limiet is wat we een ‘experimentele’ wet of limiet noemen, wat in feite betekent dat het een algemene regel is die is gebaseerd op waarnemingen bij eerdere experimenten,” vertelde Alex Zilstra, een experimenteel fysicus aan het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, aan The Dagelijks Beest op e-mail. “Deze zijn erg handig, maar we moeten altijd voorzichtig zijn bij het toepassen ervan buiten omstandigheden waarin we gegevens van proeven hebben.”

Daarom daagden Ritchie en zijn team dit vaste geloof in nieuw papier Gepubliceerd op 6 mei in het magazine Fysieke beoordelingsbrieven. Daarin veronderstelden ze dat de Greenwald-limiet in feite met bijna twee keer zoveel zou kunnen worden verhoogd – bijna twee keer de hoeveelheid waterstofbrandstof die in een tokamak zou gaan om plasma te produceren. Hun bevindingen zouden de basis kunnen leggen voor toekomstige fusiereactoren zoals DEMO – een opvolger van de ITER-reactor die momenteel in ontwikkeling is – om eindelijk tot ontsteking te komen.

“Dit is belangrijk omdat het laat zien dat de intensiteit die je kunt bereiken in een tokamak toeneemt met de kracht die je nodig hebt om hem te laten werken,” zei Ritchie. “DEMO zal in feite op een veel hoger vermogen werken dan de huidige tokamaks en ITER, wat betekent dat je meer brandstofdichtheid kunt toevoegen zonder de output te verminderen, in tegenstelling tot de wet van Greenwald. En dit is heel goed nieuws.”

Zylstra vindt de ontdekking van het team belangrijk omdat het licht werpt op waarom fusiereactoren ook beperkingen hebben. Het stelt ook dat tokamak-ontwerpen zoals ITER of DEMO “minder beperkend kunnen zijn dan eerder werd gedacht”. Met twee keer de brandstofdichtheid kan dit het vermogen van de tokamak drastisch verbeteren – en ons uiteindelijk laten ontsteken.

“Fusie is een zeer uitdagend probleem – zowel wetenschappelijk als technologisch gezien, en om de kracht van fusie te realiseren, moet stap voor stap veel vooruitgang worden geboekt”, voegde Zilstra eraan toe. “Als deze studie verder wordt gevalideerd, vooral op machines zoals ITER, zal het de magnetische fusiegemeenschap zeker helpen bij het ontwerpen en verbeteren van toekomstige ontwerpen voor experimentele faciliteiten en energieopwekking.”