Tweet

Nederland werkt mee aan rendabele kernfusie /3 reacties

Oppervlak

Engeln is vooral geïnteresseerd in wat er aan het oppervlak van de platen in de ‘divertor’ gebeurt. Er worden nieuwe deeltjes gevormd, maar het plasma kan ook deeltjes weg-etsen van het oppervlak. “We willen precies te weten komen hoe snel een materiaal erodeert onder invloed van welke intensiteit aan waterstofplasma. We kunnen in ons lab de koolstoflagen zelf laten groeien, dus we kunnen ook de structuur van het koolstof goed beïnvloeden. Daarbij hebben we in onze groep de juiste diagnostische apparatuur om te kijken wat er tijdens het proces gebeurt. Vaak kijkt men na het etsproces hoeveel er is weggeëtst, maar wij kijken naar het proces zelf. Met optische technieken kunnen we zien wat er met de dikte van de laag gebeurt, maar ook met de structuur.”

Het huidige wereldwijde plasmaonderzoek laat zien dat plasma-fusiereactoren in de praktijk last hebben van lokale instabiliteiten. Dat zijn magnetische eilandjes waarin een afzonderlijke kringstroom optreedt. En dat is lastig, want die kunnen leiden tot energieverliezen waardoor het plasma gaat afkoelen en daardoor het fusieproces kan stoppen. “Met gerichte microgolven van enkele megawatt vermogen kunnen deze eilandjes worden beïnvloed en kleiner worden gemaakt. Deze microgolven worden gericht met een speciale spiegel en geavanceerde regeltechniek”, vertelt prof.dr.ir. Maarten Steinbuch van de groep Dynamics and Control Technology van Werktuigbouwkunde. Hiermee gaat één promovendus zich bij de tokamak TEXTOR van het Institut Für Energieforschung in het Duitse Jülich bezighouden.

Een tweede promovendus gaat onder begeleiding van Steinbuch kijken naar het toepassen van meet- en regeltechniek voor het beheersen van het plasma. “Tot nu toe wordt het kernfusieonderzoek vooral gedomineerd door fysici. Maar om een werkende en rendabele centrale te bouwen, wordt supergoede regeltechniek onmisbaar”, zegt Steinbuch. “Het hogere doel is de kernfusie in het plasma zo lang mogelijk aan de gang te houden, door de situatie zo stabiel mogelijk te regelen. Samen met FOM en TNO willen we in Nederland vijf à zes aio’s op het gebied van kernfusie aanstellen.”

Donutvorm

Een plasma is ook een dankbare bron van ingewikkeld natuurkundig rekenwerk. Bij de faculteit Technische Natuurkunde, in de capaciteitsgroep Turbulentie en Werveldynamica, houdt dr.ir. Leon Kamp zich daarmee bezig. Jaren terug al kwam hij in contact met de Amerikaanse hoogleraar David Montgomery, werkzaam aan het Dartmouth College. Die hield zich bezig met het wiskundig beschrijven van de evenwichten in donutvormige plasma’s. Montgomery en Kamp kwamen er al snel achter dat de beschrijving van een ringvormig plasma tot dan toe niet helemaal correct was geweest. In de jaren vijftig en zestig van de vorige eeuw ontwikkelden de wetenschappers Grad en Shafranov hun theorie, waarbij ze er vanuit gingen dat je de ‘fietsband’ mag openknippen, om zo de wiskunde een stuk eenvoudiger te houden. Ze namen aan de je de kromming mocht verwaarlozen, mits de diameter van de ‘band’ klein is ten opzichte van de diameter van het ‘wiel’. Maar Montgomery en Kamp toonden met hun theoretische werk aan dat dat niet klopte.

De kromming had wel degelijk invloed op het plasma en uit hun berekeningen kwam naar voren dat het plasma niet stilstaat, zoals bij de Grad-Shafranov evenwichten, maar dat het stroomt. En niet eenvoudig één kant op, maar in de bovenste helft van de doorsnede de ene kant op en onderin juist de andere kant op. Kamp: “En dat was niet het enige. Tegelijkertijd spiraliseert het plasma bovenin precies andersom dan onderin.” Kamp is nog lang niet klaar met de plasma’s. Hij gaat nu kijken of het plasma-evenwicht wel stabiel is. Dat wil zeggen: wat doet het plasma als er lokaal een kleine verstoring optreedt? Verdwijnt dat plekje dan weer vanzelf of groeit het aan?

Een ander onderwerp is turbulentie. Dat het optreedt in het plasma is zeker. Maar welke invloed het heeft op het transport van bijvoorbeeld warmte, is nog erg onduidelijk. Kamp: “Turbulentie is een erg complex verschijnsel. Zelfs in water is het transport van massa of warmte via turbulentie nog niet goed begrepen. Laat staan in een plasma.”.