Gyrotron: de krachtige microgolfbuis die fusiereactoren moet verhitten
Een gyrotron is een apparaat dat extreem krachtige bundels hoogfrequente elektromagnetische golven opwekt, vergelijkbaar met de microgolven uit een magnetron, maar dan enorm opgeschaald. Waar een magnetron in de keuken ongeveer duizend watt levert bij een frequentie van 2,45 gigahertz om een bord eten op te warmen, kan een gyrotron continu tot wel een miljoen watt (1 megawatt) leveren bij frequenties van 100 tot ruim 200 gigahertz. Het doel is niet een bord soep, maar een wolk van extreem heet, geïoniseerd gas: plasma, zoals dat voorkomt in experimentele kernfusiereactoren.
Fusiereactoren proberen atoomkernen op de manier van de zon te laten samensmelten, wat alleen lukt bij temperaturen van meer dan honderd miljoen graden Celsius. Geen enkel materiaal kan daar tegen, dus wordt het plasma met magneetvelden op afstand van de wand gehouden. Om het plasma naar die extreme temperatuur te krijgen én daar te houden, wordt energie ingeschoten via gerichte microgolfbundels. De gyrotron is de bron van die bundels, en daarmee een van de sleutelonderdelen op weg naar werkende fusiecentrales.
Wat is het precies?
Een gyrotron is in de kern een vacuümbuis, een gesloten metalen omhulsel waaruit alle lucht is gepompt zodat elektronen ongehinderd kunnen bewegen. Aan de ene kant zit een elektronenkanon dat een bundel elektronen afschiet, vergelijkbaar met het principe achter een ouderwetse beeldbuis-tv, maar met veel hogere energie.
Die elektronenbundel beweegt door een zeer sterk magneetveld, opgewekt door een supergeleidende magneet (een spoel die vrijwel zonder weerstand stroom geleidt bij extreem lage temperaturen). In dat magneetveld gaan de elektronen niet rechtdoor, maar spiraalsgewijs ronddraaien: dit heet cyclotronbeweging, met een draaifrequentie die precies wordt bepaald door de sterkte van het magneetveld.
Door een natuurkundig effect dat de elektron-cyclotron-maser-instabiliteit heet, gaan de spiralerende elektronen geleidelijk in de pas lopen: ze bundelen zich in fase, alsof een groep hardlopers vanzelf op hetzelfde ritme begint te rennen. Deze gebundelde, in fase bewegende elektronen zenden gezamenlijk coherente (in fase lopende) microgolfstraling uit in een holteresonator, een precies gevormde metalen kamer die de golven versterkt en op de juiste frequentie houdt.
De opgewekte straling verlaat de buis via een venster van kunstmatig diamant. Diamant is gekozen omdat het de microgolven nauwelijks absorbeert, maar wel uitstekend warmte geleidt, iets dat essentieel is omdat een deel van het megawattvermogen als restwarmte moet worden afgevoerd zonder het venster te smelten. Vanaf daar wordt de bundel via spiegels en holle golfpijpen (buizen die de golven geleiden zoals een tunnel geluid geleidt) naar het fusievat getransporteerd, waar hij nauwkeurig gericht op het plasma wordt losgelaten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van gyrotrons in fusieonderzoek is tweeledig. Ten eerste dienen ze om het plasma op te warmen tot de extreme temperaturen die nodig zijn voor fusiereacties, een techniek die elektron-cyclotronresonantieverhitting heet (ECRH, electron cyclotron resonance heating). Ten tweede kunnen dezelfde microgolfbundels heel gericht elektrische stroom opwekken binnen het plasma zelf, wat current drive wordt genoemd (ECCD), en kleine instabiliteiten in het plasma onderdrukken voordat ze uitgroeien tot storingen die het experiment verstoren.
Wat gyrotrons aantrekkelijk maakt ten opzichte van andere verhittingsmethoden, is de precisie: de bundel kan op een paar centimeter nauwkeurig op een specifieke plek in het plasma worden gericht. Dat maakt het mogelijk om lokaal in te grijpen, bijvoorbeeld om een instabiliteit in de kiem te smoren, iets wat met grovere verhittingsmethoden veel lastiger is.
Buiten de fusiewereld worden gyrotrons ook ingezet voor industriële materiaalbewerking, zoals het snel en gelijkmatig sinteren (verhitten tot samensmelten zonder volledig te smelten) van geavanceerde keramische materialen. Daarnaast worden compacte, lagere-vermogen gyrotronen gebruikt in de scheikunde en biologie, in een techniek die Dynamic Nuclear Polarization NMR (DNP-NMR) heet: de gyrotron versterkt daarbij het signaal van kernspinresonantie-metingen, waardoor onderzoekers de structuur van eiwitten en andere moleculen veel gevoeliger in kaart kunnen brengen.
Voorbeelden uit de praktijk
ITER, de internationale experimentele fusiereactor in Cadarache, Frankrijk, krijgt een elektron-cyclotronverhittingssysteem met ongeveer 24 gyrotrons van elk 1 megawatt, werkend op 170 gigahertz, samen goed voor circa 20 megawatt aan verhittingsvermogen. Deze gyrotrons worden geleverd door een consortium van partnerlanden, waaronder de EU, Japan, Rusland en India.
De stellarator Wendelstein 7-X, van het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald, Duitsland, is sinds 2015 operationeel en gebruikt ongeveer tien gyrotrons op 140 gigahertz, samen goed voor circa 10 megawatt. Het toestel heeft de afgelopen jaren, rond 2022 en 2023, meerdere records gevestigd voor de duur en de totale ingebrachte energie van plasma-ontladingen, mede dankzij dit verhittingssysteem.
In Japan bereikte de grote tokamak JT-60SA in Naka rond eind 2023 zijn eerste plasma; ook dit toestel maakt gebruik van gyrotron-gebaseerde elektron-cyclotronverhitting als onderdeel van zijn verhittingssystemen.
In de Verenigde Staten gebruikt de tokamak DIII-D van General Atomics in San Diego al sinds de jaren negentig en tweeduizend gyrotronen voor experimenten met gerichte stroomsturing en het onderdrukken van plasma-instabiliteiten.
Buiten de fusiewereld levert het Duitse bedrijf Bruker al sinds ongeveer het einde van de jaren 2000 commerciële DNP-NMR-spectrometers met ingebouwde, compacte gyrotronen die werken bij frequenties van ruwweg 260 tot 527 gigahertz, gebruikt in laboratoria over de hele wereld voor moleculair onderzoek.
Hoe ver is de techniek?
Voor toepassingen met een lager vermogen, zoals industriële verhitting en NMR-spectroscopie, is de gyrotron een volwassen, commercieel verkrijgbare technologie. Voor de grootschalige, langdurige inzet die fusiereactoren vereisen, liggen de uitdagingen echter nog altijd op tafel.
Een eerste knelpunt is het rendement: een gyrotron zet doorgaans ongeveer de helft van de ingestopte elektrische energie om in bruikbare microgolfstraling. Met een zogeheten depressed collector, een ontwerp dat de energie van ongebruikte elektronen na de holteresonator gedeeltelijk terugwint, kan dat rendement oplopen tot naar schatting 65 procent, maar dit vergt zorgvuldige engineering en blijft een actief ontwikkelgebied.
Een tweede knelpunt is de warmteafvoer via het diamantvenster, dat bij megawattvermogens en lange of continue pulsen zwaar wordt belast. Betrouwbaarheid bij uren- of dagenlang continu bedrijf, zoals een toekomstige commerciële fusiecentrale zou vereisen, is nog niet op grote schaal in de praktijk bewezen.
Voor de beoogde opvolger van ITER, het demonstratieproject DEMO, wordt gewerkt aan gyrotronen die naar hogere frequenties (rond 230 tot 240 gigahertz) en vermogens (rond 2 megawatt per buis) moeten, om aan de eisen van een compactere en efficiëntere reactor te voldoen. Deze generatie bevindt zich nog grotendeels in de onderzoeks- en ontwikkelfase, met beperkte praktijkervaring. Het bredere ITER-project heeft de afgelopen jaren bovendien meerdere vertragingen opgelopen, al liggen de oorzaken daarvan vooral bij andere onderdelen van de reactor dan de gyrotronen zelf.
Wie werken eraan?
Het gyrotron-principe werd in de jaren zestig en zeventig van de twintigste eeuw ontwikkeld in de Sovjet-Unie, aan het Institute of Applied Physics in Nizhny Novgorod, met natuurkundige Andrei Gaponov-Grekhov als een van de belangrijkste grondleggers van de onderliggende theorie.
Vandaag de dag wordt de markt voor fusie-gyrotronen gedomineerd door een klein aantal gespecialiseerde fabrikanten: Thales in Frankrijk, CPI (Communications & Power Industries) in de Verenigde Staten, Canon Electron Tubes & Devices in Japan (voortgekomen uit de vroegere Toshiba-buizentak), en Gycom, verbonden aan het Institute of Applied Physics van de Russische Academie van Wetenschappen.
Op onderzoeksgebied spelen instituten als het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Duitsland en het Swiss Plasma Center van de EPFL in Lausanne, Zwitserland, een centrale rol in de verdere ontwikkeling van hoogvermogen-gyrotronen voor fusietoepassingen, vaak in nauwe samenwerking met fabrikanten als Thales.
Het ITER-project zelf wordt gedragen door een internationaal consortium van de Europese Unie, Japan, de Verenigde Staten, Rusland, China, India en Zuid-Korea, gecoördineerd via de ITER Organization. Op mondiaal niveau vervult het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) een coördinerende rol in de uitwisseling van kennis over fusieonderzoek, inclusief verhittingstechnologie zoals de gyrotron.