R2P2, kaaskroketten en veel geduld

In een kernfusiereactor zweeft een plasmadonut van 150 miljoen graden, die in bedwang gehouden moet worden (foto shutterstock)

Johannes Lips (UGent) studeerde af als master in de kernfusie, en ontwikkelde voor zijn masterproef een antenne om deze technologie mogelijk te maken: “Een kleine stap dichter naar de heilige graal van de energie.”

Kernfusie: een onuitputbare bron van elektriciteit, die bovendien geen vervuiling of gevaar met zich meebrengt. Hoeveel problemen zou dat niet oplossen? Het hoeft niet te verbazen dat er voor kernfusie in sciencefiction vaak een rol is weggelegd: het is de zogenoemde heilige graal van de energie.

Maar ook in de echte wereld bouwt een internationale groep wetenschappers aan de weg naar fusie-energie. Dit onderzoek is een nieuwe steen op deze lange weg.

Fusie

Omdat kernenergie niet de beste naam heeft, is het belangrijk eerst het onderscheid tussen kernsplitsing, zoals in de huidige reactoren, en kernfusie te benadrukken. Net als brandhaard en brandblusser zijn kernsplitsing en kernfusie gelijkaardige woorden met compleet andere betekenis. Doordat de fysica van de twee processen zo verschilt, is er bij een fusiereactor bijvoorbeeld geen sprake van uranium, langdurig radioactief afval of risico’s op nucleaire rampen.

Kernfusie is de energiebron van de zon en het proces valt tot op zekere hoogte te vergelijken met het frituren van kaaskroketten: in het frietvet brokkelt de korst van een kaaskroket soms een beetje af, waardoor de kaasvulling eruit loopt, en als je echt veel pech hebt zorgt dat ervoor dat er twee kroketten aan elkaar gaan plakken. Bij kernfusie zijn net deze mislukkelingen waardevol, omdat bij zo’n samensmelting op atomaire schaal veel energie vrijkomt.

Kernfusie is de energiebron van de zon en het proces valt tot op zekere hoogte te vergelijken met het frituren van kaaskroketten

De kaaskroketten zijn nu atomen, met een atoomkern in plaats van de kaasvulling en elektronen in plaats van de korst. Het is de energie die vrijkomt bij samensmelten van twee atoomkernen (letterlijk kernfusie) die we willen gebruiken om elektriciteit mee op te wekken. Maar net als bij de kaaskroketten, moet de (elektronen)korst eerst loskomen voordat de vulling kan samensmelten, en net als bij de kaaskroketten creëren we die omstandigheden door de atomen op te warmen. Het mengsel van elektronenkorst en kernen dat we dan bekomen heet een plasma.

Reflecto-watte?

Tot zover de kaaskroket-analogie, want waar 180°C voldoende is voor ons eten, gebruikt men voor kernfusie temperaturen tot 150 miljoen graden! Omdat bij zo’n temperatuur elk vast materiaal smelt, is het belangrijk ervoor te zorgen dat het hete plasma de rest van de machine niet kan raken en daardoor zou beschadigen. De sciencefiction is niet ver weg, want de enige manier waarop dit kan, is door het plasma in een donutvorm te laten zweven met behulp van gigantische magneten! En zelfs dan moeten we het plasma de hele tijd in de gaten houden om ervoor te zorgen dat het niet naar de kant toe zweeft en dan toch de installatie kapotmaakt.

Makkelijker gezegd, dan gedaan: het plasma is een gas dat je met het blote oog of een camera niet kan zien en door de hoge temperatuur kunnen ook veel andere technieken niet gebruikt worden om te weten te komen waar het plasma is.

Magnetische inductie en reflectometrie zijn twee technieken die we wel kunnen gebruiken. De meeste mensen kennen deze technologieën beter dan ze denken. Magnetische inductie wordt bijvoorbeeld gebruikt in een metaaldetector en reflectometrie is net hetzelfde als radar: een antenne zendt straling uit en vangt die terug op nadat ze is gereflecteerd op een object. De tijd die verstreken is tussen zenden en ontvangen vertelt ons hoe ver weg het object zich bevindt.

Om de positie van een plasma via reflectometrie te bepalen, gebruiken we het plasma als reflecterend object. De antenne zendt straling naar het plasma, de straling reflecteert op het plasma en keert terug naar de antenne, waarna we de afstand van het plasma tot de antenne kunnen berekenen.

Deze techniek is nog nooit voor positionering van een fusieplasma gebruikt, maar in mijn scriptie zet ik een stap in die richting.

R2P2

In het eerste deel van het onderzoek ontwikkelden we de softwarecode R2P2 (kort voor Ray tracing Reflectometrie voor Plasma Positionering). R2P2 simuleert het plasma en de omgeving aan de hand van ray tracing. Ray tracing wordt trouwens ook gebruikt in de special effects- en gamewereld om een realistische lichtinval te creëren.

In meer dan 100.000 simulaties onderzochten we verschillende antennes en plasma’s om zo kenmerken van een goede antenne te identificeren. Daarna ontwierpen we een optimale antenne die deze goede kenmerken combineert.

Om de R2P2-resultaten te verifiëren, bouwden we in het tweede deel van het onderzoek een prototype van zowel de optimale antenne als een niet-geoptimaliseerde antenne en vergeleken we hun gedrag in experimenten in verschillende omgevingen. Zo deden we bijvoorbeeld metingen met verschillende hoeveelheden metaal in de omgeving van de antennes.

Plasma van 150 miljoen graden zweeft met behulp van gigantische magneten in de reactor, en mag daarbij de machine niet raken

De resultaten van de experimenten waren veelbelovend: de geoptimaliseerde antenne had duidelijk betere eigenschappen dan de referentieantenne, maar tegelijk bleek dat de omgeving waarin de antenne wordt gebruikt de eigenschappen sterk kan doen veranderen, waardoor bijvoorbeeld tijdens tests met veel metaal in de omgeving van de antenne de voordelen van de optimale antenne verdwenen. Verder onderzoek is dus nodig om ervoor te zorgen dat de ontworpen antenne ook in dergelijke omgevingen optimaal werkt, zodat we de techniek kunnen gebruiken in een toekomstige fusiereactor.

Dit onderzoek is slechts een kleine bijdrage aan de zoektocht naar de heilige graal van energie. En er is nog veel verder onderzoek nodig om de weg naar kernfusiereactors te voltooien en komende generaties van een enorme hoeveelheid propere energie te voorzien. Onzichtbare, zwevende plasmadonuts zullen dus nog niet voor morgen zijn, maar gelukkig hebben we toch al kaaskroketten!

Promotor: prof. dr. Stéphane Heuraux

Lees de scriptie

Deze scriptie werd geselecteerd voor de finale van de Agoriaprijs 2020 en de Eosprijs 2020, twee deelprijzen van de Vlaamse Scriptieprijs

---

Dit artikel verscheen in de wintereditie van de Vlaamse ScriptieKrant