R2P2, kaaskroketten en veel geduld

R2P2, kaaskroketten en veel geduld

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, de zogenoemde heilige graal van de energie, in sciencefiction vaak een rol is weggelegd. Maar ook in de echte wereld bouwt een internationale groep wetenschappers aan de weg naar fusie-energie. Het onderzoek dat hier wordt gepresenteerd is een nieuwe steen op deze lange weg.

Fusie

Omdat kernenergie niet de beste naam heeft, is het belangrijk eerst het onderscheid tussen kernsplitsing (de fysica die aan de basis ligt van de huidige kernreactors) 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 zo’n samensmelting op atomaire schaal veel energie vrijgeeft. 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 moet het plasma de hele tijd in de gaten gehouden worden 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, en 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 meten kan het plasma zelf als reflecterend object dienst doen, zodat we met behulp van een antenne die straling naar het plasma zendt en van het plasma ontvangt de afstand tot het plasma kunnen berekenen. Deze techniek is nog nooit voor positionering van een fusieplasma gebruikt, maar in deze scriptie wordt een stap in die richting gezet.

R2P2

In het eerste deel van het onderzoek werd de softwarecode R2P2, wat staat voor Ray tracing Reflectometrie voor Plasma Positionering, ontwikkeld. R2P2 simuleert het plasma en de omgeving aan de hand van ray tracing, een techniek die ook voor games en special effects in films gebruikt wordt om realistische lichtinval te verkrijgen. In meer dan 100 000 simulaties werden verschillende antennes en plasmas gesimuleerd om zo kenmerken van een goede antenne te identificeren. Vervolgens werd een optimale antenne ontworpen die deze goede kenmerken combineert.

Om de R2P2 resultaten te verifiëren, werd in het tweede deel van het onderzoek een prototype van zowel de optimale antenne als een niet-geoptimaliseerde antenne gebouwd en werd hun gedrag in experimenten vergeleken in verschillende omgevingen. Zo werden er bijvoorbeeld metingen gedaan met verschillende hoeveelheden metaal in de omgeving van de antennes. 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 de beschreven techniek gebruikt kan worden 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 dat moet gebeuren 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!