Kernfusie – het begin

Wat we doen is het volgende: een gas zodanig verhitten dat er deeltjes samensmelten tot grotere. Wat we willen is dit proces zonder oponthoud laten verlopen.

Deeltjes en lading

De betekenis van dat ene zinnetje “kerndeeltjes laten samensmelten tot grotere” wordt pas duidelijk met wat meer inzicht in de werking van de kleinste bouwstenen van de natuur. Een andere keer kunnen we eens gaan spelen in de tuin van atomen en deeltjes. Het belangrijkste voor nu: de kleinste bouwsteentjes van de natuur zijn de atomen. Elk materiaal dankt zijn eigenschappen aan de atomen waaruit het is opgebouwd. Atomen bestaan uit kerndeeltjes en elektronen.

Bij hoge energie blijven de elektronen niet meer aan de kerndeeltjes zitten, maar deze bewegen los van elkaar rond door de machine. Hierdoor zijn alle deeltjes geladen. Dingen met lading zijn gevoelig voor magneetvelden (en ook voor elektrische velden; deze laatste net zoals dingen met massa gevoelig zijn voor zwaartekrachtsvelden). Daarom worden magnetische spoelen gebruikt om de deeltjes te sturen en op hun plaats te houden.

Alle kerndeeltjes zijn positief, de elektronen negatief geladen. Hierdoor stoten kernen elkaar af. Jammer, want we willen ze juist laten samensmelten. Maar met voldoende hoge temperatuur en druk, krijgen de deeltjes genoeg bewegingsenergie om hun onderlinge afremmen te overwinnen: fusie.

fusie_copyright_aggl

Onder de juiste omstandigheden van temperatuur, druk, stroom en vorm levert dit proces energiewinst op.

Een gas met geladen deeltjes heet een plasma. Vanwege zijn bijzondere eigenschappen wordt het, naast vast, vloeibaar en gasvormig, ook wel de vierde toestand van materie genoemd. 95% van alle gewone materie in het heelal is in de plasmatoestand, want sterren zijn ballen van plasma.

Stroming en magneetvelden

In de tokamak is er sprake van een krachtenbalans: de hoge plasmadruk in het binnenste moet worden gehandhaafd door de magnetische druk. Door de hoge plasmadruk willen de deeltjes weg uit het centrum, maar dat wordt weer tegengewerkt door de magneetvelden.

Om deze magneetvelden in de juiste richting te zetten (zodat ze de deeltjes naar binnen duwen) en om alle deeltjes in de pas te laten lopen, moeten de deeltjes ook gezamenlijk rondbewegen: de Plasmastroom. Dit omdat een stroom altijd een magneetveld opwekt. Gecombineerd met de velden uit de spoelen ontstaat er een getwist (helisch) veld en dat is precies wat er nodig is.

De samenwerking van alle krachten en deeltjesbewegingen heeft als belangrijkste uitdaging: houd het in evenwicht. Bij een ingewikkelde stroming treden instabiliteiten op en turbulentie. Doordat de boel in een donutvorm in het rond vliegt, kunnen er ook resonanties optreden die zorgen voor plotselinge uitbarstingen van het plasma naar buiten toe. Behalve dat dit een groot energieverlies betekent (wat fusie als energiebron onbruikbaar kan maken) brengt dit schade toe aan de binnenwand van de machine waardoor een fusiereactor vaak voor onderhoud uit operatie zou staan (eveneens ongewenst voor een energiebron). Het onderzoek naar en de opbouw van het wandpakket is een verhaal apart, waarbij neutronen gecontroleerd worden afgeremd, plasma en vaste stof elkaar ontmoeten en eenmaal gefuseerde deeltjes worden afgevoerd. Hier kom ik graag een andere keer op terug.

Om de stroming in evenwicht te houden, moet ze gecontroleerd worden. Soms moet er een beetje extra magneetveld bij, dan weer wat extra gerichte verhitting. Waar en wanneer dat moet gebeuren vertellen de meetsystemen. Daarvan zitten er verschillende om de donut heen. Ze kijken bijvoorbeeld door speciale ‘ports’ (kijkgaten door de wand van de tokamak) naar het plasma.

De plek van mijn werk in het hele plaatje

Deze diagnostieken zijn de oren en ogen van het experiment. Mijn project gaat over zo’n diagnostiek: gebaseerd op het Motional Stark Effect (kortweg: MSE). Deze diagnostiek haalt de groottes van de magneetvelden uit elke positie in het plasma. De methode heeft zelfs de potentie om dat ‘realtime’ te doen (dus geschikt voor een regelsysteem).

Lees meer hierover in mijn project.

Zo zijn bij zo’n machine meerdere projecten gaande, waarin nieuwe meetmethoden of componenten worden onderzocht. De uitkomsten zijn weer van groot belang voor ITER, want zo wordt bepaald welke diagnostieken en materialen in Zuid-Frankrijk zullen worden gebruikt. Zodoende is niet alleen het KSTAR-project zelf, maar het gehele fusie-onderzoek een wereldwijde samenwerking.

Advertenties
Dit bericht werd geplaatst in Fusie - Basis. Bookmark de permalink .

Een reactie op Kernfusie – het begin

  1. Pingback: Kijken naar licht uit het binnenste van de tokamak – MSE | magnetischedonutkamer

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s