Nieuwegein (NL) – Het plasma in een kernfusiereactor is helemaal niet zo homogeen als fysici dachten. Onderzoekers in Nederland en Italië tonen aan dat het plasma bestaat uit slierten en dunne lagen. Warmteoverdracht binnen het plasma kan bovendien zeer vreemd verlopen.


Al enkele decennia werken natuurkundigen aan kernfusie. De fusie van lichte elementen in een reactor moet schone, milieuvriendelijke energie opleveren. De theorie is nog zo elegant, de praktijk blijkt weerbarstig. Met zeer kleine stapjes groeit de kennis van wat er zich afspeelt in de fusiereactor.
In een kernfusiereactor gloeit het plasma op als een ijl, egaal rood gloeiend gas. Het lijkt homogeen, maar de werkelijkheid is anders, zo toonden Nederlandse en Italiaanse natuurkundigen aan. In een sterk verhit plasma vormen zich hete slierten en heel dunne lagen waarover een grote temperatuursprong optreedt. De structuur is complex en vertoont zelforganisatie. Op 20 november publiceerden de onderzoekers in Physical Review Letters metingen die laten zien hoe warmtetransport in zo'n complex plasma onorthodox verloopt: deels van warm naar koud, wat normaal is, maar deels ook van koud naar warm!
Het hete plasma moet worden opgesloten in een magneetveld. Het is met een temperatuur van zo'n honderdmiljoen graden veel te heet om gewoon in een vat op te sluiten. Voor het fusie-plasma wordt een vat in de vorm van een autoband, een torus, gebruikt. Grote elektrische spoelen wekken magneetvelden op die door het vat spiraliseren en voorkomen dat het plasma de wand bereikt. Zelfs de meest hoogwaardige materialen zijn niet bestand tegen de hoge temperatuur.

Sterke magneetvelden sluiten het plasma op in een autobandvormige ruimte. Het hete plasma kan daardoor de wand niet raken.

Een zeer algemene wiskundige theorie beschrijft hoe de magneetlijnen zich in een torus gedragen. Door kleine onvolkomenheden in het magneetveld moeten magnetische slierten ontstaan die door de torus spiraliseren. Binnen deze slierten winden de magneetlijnen zich rond elkaar. De sliertvorming treedt slechts in bepaalde gebieden op, die zijn gescheiden door dunne lagen waarin de magneetlijnen keurig parallel lopen. Het plasma in de torus ziet er in doorsnede uit als een worst vol met slierten en concentrische schillen.

Temperatuursprongen meten
Het instituut in Rijnhuizen beschikt over unieke expertise op het gebied van temperatuurmeters voor kernfusiereactoren. Daardoor konden ze als eersten nu experimenteel de plasmaslierten aantonen. Dit vereist buitengewoon nauwkeurige metingen van de temperatuur in het plasma – geen sinecure in een plasma met een temperatuur van honderd miljoen graden. Bij de meetmethode verstrooit het plasma het licht van een laserbundel die dwars door het plasma gaat. Een lens beeldt verstrooid licht af op een pakket van glasvezels die het licht naar een zogeheten polychromator leiden. Die scheidt het licht in de diverse kleuren en meet die. Omdat snelle elektronen het verstrooide licht meer van kleur laten veranderen dan trage, vormt de verkleuring van het laserlicht een maat voor de temperatuur.
De onderzoekers in Rijnhuizen vonden in het fusieplasma lagen of schillen waarover de temperatuur sterk verspringt. Deze lagen vormen zogenaamde transportbarrières. Als een warmtebron door het plasma beweegt, daalt elke keer dat de bron een transportbarriËre passeert de temperatuur een stuk. De onderzoekers hebben een model gemaakt dat een verband legt tussen de structuur van het magneetveld en het optreden van transportbarrières. Dit model benaderde de meetresultaten zeer goed, niet alleen die uit een klein experiment, maar ook in de grote Europese fusiemachine JET in Engeland.

Met de zeer gevoelige meetapparatuur bleek dat het warmtetransport in plasma in kleine stapjes plaatsvindt, in plaats van geleidelijk.

Het warmtetransport in de transportbarrières verloopt zeer onorthodox. Er zijn twee tegengestelde warmtestromen. Bij het normale warmteverlies stroomt de warmte van hoge naar lage temperatuur. Daarnaast is er een warmtestroom tegen het temperatuurverval in: alsof hete elektronen van lage naar hoge temperatuur bewegen en daar hun warmte afgeven. In een normale situatie zijn deze twee warmtestromen niet te onderscheiden. In het experiment van Rijnhuizen/Milaan wekten de onderzoekers kleine warmtegolfjes op en keken wat daarmee gebeurde. Zo bleek dat de warmte tegen het warmteverval in beweegt.
De sterkte van deze tegendraadse warmtestroom kan worden beïnvloed met microgolven die door de plasmaelektronen worden geabsorbeerd. Deze technisch geavanceerde methode om een opgesloten plasma te verhitten is inmiddels de kinderschoenen ontgroeid en wordt nu bij de grote fusiemachines geïnstalleerd. Het grote voordeel is de microscopische precisie waarmee de nmicrogolven energie zeer plaatselijk kunnen afleveren. Dit biedt unieke mogelijkheden om naast 'bruto' verhitting van het plasma, ook via lokale beïnvloeding van de temperatuur het plasma te optimaliseren. Daarnaast is de zeer lokale verhitting uiteraard een fantastisch stuk gereedschap bij het onderzoek naar de warmtestromen door het plasma.

Experimenten bij grote machines
De onderzoekers van Rijnhuizen zetten het onderzoek naar transportbarrières voort in de fusiemachine TEXTOR in het Forschungszentrum Jülich bij Aken, waar ze met Duitse en Belgische collega's samenwerken. Ze onderzoeken ook of hun inzichten toepasbaar zijn in JET. Hierbij is de Nederlandse expertise op het gebied van microgolfverhitting een grote troef: een Nederlands team van Rijnhuizen bouwt het nieuwe ECRH-systeem voor JET, een investering van circa 25 miljoen euro. Mogelijk zal JET nog een apparaat bestellen bij het instituut in Rijnhuizen voor de metingen.

Erick Vermeulen