Neutrale waterstof: hoe ongeladen atomen fusieplasma tot honderd miljoen graden verhitten
In het hart van een kernfusiereactor gebeurt iets dat op het eerste gezicht tegenstrijdig lijkt: onderzoekers gebruiken waterstofatomen zonder elektrische lading om een wolk van geladen deeltjes te verhitten tot temperaturen van meer dan honderd miljoen graden Celsius. Die "neutrale waterstof" bestaat uit waterstof- of deuteriumatomen (deuterium is een zwaardere variant van waterstof) die geen elektrische lading dragen. Juist dat gebrek aan lading maakt ze bijzonder: ze kunnen dwars door de sterke magneetvelden heen vliegen die het gloeiendhete plasma in een fusiereactor bijeenhouden, terwijl geladen deeltjes daarbij zouden worden weggebogen.
Een goede vergelijking is het schieten van een bal door een tunnel vol krachtige magneten. Is de bal van ijzer, dan wordt hij binnen enkele centimeters van zijn baan afgebogen doordat het magneetveld erop trekt. Vervang je die ijzeren bal door een bal van hout, dan vliegt hij ongehinderd rechtdoor, want hout reageert niet op magnetisme. Fusie-onderzoekers passen precies dat principe toe: ze maken van geladen waterstofdeeltjes tijdelijk "neutrale ballen" om energie diep in het plasma te schieten. Deze techniek heet neutral beam injection, oftewel verhitting met een neutrale deeltjesbundel.
Wat is het precies?
Om fusie te laten plaatsvinden, moet een gas van waterstof of deuterium zo heet worden dat de elektronen loskomen van de atoomkernen. Er ontstaat dan een plasma: een mengsel van losse, elektrisch geladen deeltjes (ionen en elektronen), soms de "vierde toestand van materie" genoemd naast vast, vloeibaar en gas. Dit plasma wordt in apparaten als een tokamak of stellarator met sterke magneetvelden in een donutvormige ruimte opgesloten, zodat het nergens de wand raakt. Dit heet magnetische opsluiting.
Het plasma op temperatuur krijgen en houden is een van de grootste uitdagingen. Elektrische stroom door het plasma en microgolfverhitting helpen, maar zijn niet genoeg om de temperaturen te bereiken die nodig zijn voor fusiereacties. Daarom versnellen onderzoekers eerst waterstof- of deuteriumionen (atomen die al hun elektron zijn kwijtgeraakt of juist een extra elektron hebben, en dus geladen zijn) met sterke elektrische velden tot enorme snelheden. De energie van zulke deeltjes wordt uitgedrukt in elektronvolt (eV), een eenheid voor de energie die een deeltje krijgt als het wordt versneld door een elektrisch veld; bij ITER gaat het om bundels van rond de 1 miljoen elektronvolt (1 MeV).
Die versnelde, geladen deeltjes zouden echter zelf ook worden afgebogen door het magneetveld van de reactor voordat ze het plasma bereiken. Daarom worden ze eerst geneutraliseerd: ze vliegen door een cel met gas of door een plasma, waarbij ze een elektron opvangen (bij positief geladen ionen) of juist een elektron verliezen (bij negatief geladen ionen), zodat ze elektrisch neutraal worden. Pas als neutraal, snel atoom worden ze de reactor in geschoten. Binnenin botsen ze met de deeltjes van het plasma, raken daarbij zelf weer geïoniseerd en dragen hun bewegingsenergie over als warmte, terwijl ze door het magneetveld worden vastgehouden zoals de rest van het plasma.
Bij lage energie werkt neutralisatie van positieve ionen prima, maar bij hogere energie, zoals de 1 MeV die ITER nodig heeft, daalt de efficiëntie van die methode sterk: nog geen tien procent van de positieve ionen wordt dan omgezet in bruikbare neutrale atomen. Om dit probleem te omzeilen, gebruikt ITER negatief geladen ionen, die bij hoge energie veel efficiënter te neutraliseren zijn. Het nadeel is dat negatieve waterstof- en deuteriumionen technisch veel lastiger te maken zijn dan positieve, omdat het extra elektron er makkelijk weer afvalt. Dit is een van de grootste technische uitdagingen van het hele systeem.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van kernfusie-onderzoek is een energiebron die, net als de zon, energie vrijmaakt door lichte atoomkernen te laten samensmelten, zonder de langlevende radioactieve afval van kernsplijting en zonder CO2-uitstoot tijdens bedrijf. Om die fusiereacties op gang te krijgen, moet het plasma echter eerst tot extreme temperaturen worden verhit, ruim boven de honderd miljoen graden, hoger dan in de kern van de zon. Neutrale-deeltjesbundels zijn een van de belangrijkste manieren om die temperatuur te bereiken en op peil te houden.
Onderzoekers streven naar een positieve energiebalans, uitgedrukt in de zogeheten Q-waarde: de verhouding tussen de energie die het fusieproces oplevert en de energie die nodig is om het plasma te verhitten. ITER heeft als doel een Q-waarde van minstens 10 te halen, dus tien keer meer fusie-energie produceren dan er aan verhittingsvermogen wordt ingestopt. Neutrale-deeltjesbundels leveren daarbij niet alleen warmte, maar ook nieuw brandstofmateriaal en kunnen de stroom in het plasma bijsturen, wat belangrijk is voor de stabiliteit. Op de lange termijn hopen onderzoekers dat deze kennis bijdraagt aan fusiecentrales die schone, vrijwel onuitputtelijke basislastenergie leveren, al benadrukken de meeste experts dat commerciële toepassing op zijn vroegst over enkele decennia realistisch is.
Voorbeelden uit de praktijk
JET (Joint European Torus), in het Verenigd Koninkrijk, was decennialang de grootste operationele tokamak ter wereld en maakte intensief gebruik van neutrale-bundelverhitting. In december 2021 haalde JET een record van 59 megajoule aan fusie-energie in een enkel experiment. Na een laatste reeks experimenten met een deuterium-tritiummengsel sloot de faciliteit eind 2023 definitief haar deuren.
ITER, in aanbouw in Frankrijk, moet uiteindelijk twee "heating neutral beam"-injectoren krijgen die elk zo'n 16,5 megawatt aan vermogen leveren via negatieve-ionenbronnen op ongeveer 1 MeV. Omdat deze techniek nog niet eerder op deze schaal en energie is toegepast, wordt ze eerst getest in de faciliteit PRIMA (Padova Research on ITER Megavolt Accelerator) in Padua, Italië, met de testopstellingen SPIDER (voor de ionenbron) en MITICA (een volledige prototypebundel op ware grootte).
DIII-D, beheerd door General Atomics in San Diego, Verenigde Staten, is sinds 1986 in bedrijf en is een van de belangrijkste Amerikaanse onderzoeksreactoren waar neutrale bundels worden gebruikt om plasmafysica te bestuderen die relevant is voor ITER.
Wendelstein 7-X, van het Max Planck Institute for Plasma Physics in Greifswald, Duitsland, is geen tokamak maar een stellarator, een reactortype met een complex gevormd magneetveld zonder de grote plasmastroom die tokamaks nodig hebben. Ook hier wordt neutrale-bundelverhitting ingezet, naast microgolfverhitting, om lange, stabiele plasma-ontladingen te bereiken.
KSTAR, de Koreaanse supergeleidende tokamak, meldde in 2021 een record voor het langdurig vasthouden van plasma bij extreme temperaturen (ruim honderd miljoen graden gedurende tientallen seconden), mede dankzij verhitting via neutrale bundels.
Hoe ver is de techniek?
Neutral beam injection is op zichzelf geen nieuwe of speculatieve technologie: het wordt al sinds de jaren zeventig gebruikt, onder meer op de Princeton Large Torus (PLT) in de Verenigde Staten, en is sindsdien op tientallen fusiereactoren wereldwijd standaardpraktijk geworden voor plasmaverhitting.
Wat nieuw en nog onbewezen is, is de combinatie van schaal en energie die ITER nodig heeft. Negatieve-ionenbronnen op het niveau van 1 MeV zijn nooit eerder op deze schaal gebouwd en bedreven. De testfaciliteit PRIMA in Italië moet aantonen dat het systeem betrouwbaar en lang genoeg kan draaien; de opbouw en tests van met name MITICA hebben te maken gehad met aanzienlijke vertragingen ten opzichte van de oorspronkelijke planning, deels door de technische complexiteit van stabiele, hoogenergetische negatieve-ionenbundels. Dit is een van de onderdelen van het ITER-project waarvan de planning het meest onder druk staat.
Wie werken eraan?
De ITER Organization in Frankrijk coördineert de bouw en ontwikkeling van het ITER-project als geheel, met bijdragen van onder meer de Europese Unie via Fusion for Energy. De testfaciliteit PRIMA in Padua wordt gerund door het Italiaanse Consorzio RFX, in samenwerking met de ITER Organization en Fusion for Energy. In het Verenigd Koninkrijk beheert het Culham Centre for Fusion Energy de erfenis van JET en Brits fusie-onderzoek. In de Verenigde Staten werkt General Atomics aan DIII-D, terwijl in Duitsland het Max Planck Institute for Plasma Physics verantwoordelijk is voor Wendelstein 7-X en het eerdere ASDEX Upgrade-project. Zuid-Korea's fusieonderzoek, waaronder KSTAR, valt onder het Korea Institute of Fusion Energy. Ook het Franse onderzoeksinstituut CEA is nauw betrokken bij Europees fusie-onderzoek en de ITER-site in Frankrijk.