Tearing mode: de kleine scheurtjes die kernfusiereactoren dwarszitten
Stel je een tokamak voor: een donutvormige reactor waarin een gloeiend hete waterstofplasma wordt vastgehouden door sterke magnetische velden. Die velden vormen als het ware duizenden in elkaar genestelde, spiraalvormige 'buizen' waarbinnen het plasma netjes opgesloten blijft, ver van de metalen wand. Een tearing mode is een instabiliteit waarbij zo'n magnetische laag letterlijk begint te 'scheuren': de veldlijnen breken open en verbinden opnieuw, waardoor er een soort luchtbel ontstaat in het magnetische weefsel. Natuurkundigen noemen zo'n bel een magnetisch eiland.
Dat klinkt misschien onschuldig, maar zo'n eiland werkt als een kortsluiting dwars door de zorgvuldig opgebouwde magnetische isolatie. Warmte en deeltjes die normaal keurig binnen hun eigen laagje blijven, kunnen er nu dwars doorheen lekken, ongeveer zoals een scheur in een fietsband lucht laat ontsnappen die eerst netjes binnen de band bleef. Wordt het eiland groot genoeg, dan kan de hele plasmakolom instabiel worden en abrupt afkoelen of zelfs volledig instorten. Voor de bouwers van fusiereactoren, die juist het plasma juist zo heet en stabiel mogelijk willen houden, is de tearing mode dan ook al decennia een van de hardnekkigste tegenstanders.
Wat is het precies?
In een tokamak wordt het plasma vastgehouden door een combinatie van magneetspoelen om de reactor en een elektrische stroom die door het plasma zelf loopt. Samen vormen die velden spiraalvormige veldlijnen. Hoeveel keer zo'n veldlijn rond de lange as van de donut draait voordat hij één keer rond de korte as is gegaan, heet de veiligheidsfactor (aangeduid met de letter q). Op plekken waar q een simpele breuk is, zoals 2/1 of 3/2, spreekt men van een rationaal oppervlak.
Precies op zo'n rationaal oppervlak kan het plasma, dat in werkelijkheid nooit een perfecte, weerstandsloze geleider is, lokaal een beetje weerstand vertonen. Die kleine onvolkomenheid maakt het mogelijk dat veldlijnen op die plek 'herverbinden': ze breken en sluiten anders weer aan dan voorheen, een proces dat in de plasmafysica magnetische reconnectie heet. Het resultaat is een magnetisch eiland: een kleine, in zichzelf gesloten lus binnen het grotere magnetische patroon, met een andere temperatuur en dichtheid dan zijn omgeving.
Er bestaat een extra hardnekkige variant: de neoclassical tearing mode (NTM). In een tokamak loopt namelijk een deel van de elektrische stroom vanzelf, gedreven door drukverschillen in het plasma; dit heet de bootstrapstroom. Zodra er een eiland ontstaat, verdwijnt de lokale drukgradiënt daarbinnen, en daarmee ook de bootstrapstroom op die plek. Dat gaatje in de stroomverdeling houdt het eiland zelf in stand en laat het soms zelfs verder groeien, ook als de oorspronkelijke trigger allang weg is. Vandaar dat een NTM vaak pas op gang komt na een 'zetje' van buitenaf, bijvoorbeeld een andere, kortstondige instabiliteit (zoals een zogeheten sawtooth-crash), maar zich daarna zelfstandig blijft handhaven.
De theoretische basis werd al in 1963 gelegd door de Amerikaanse natuurkundigen Harold Furth, John Killeen en Marshall Rosenbluth, die beschreven hoe een plasma met eindige elektrische weerstand kan 'scheuren'. Tien jaar later werkte Paul Rutherford uit hoe zo'n eiland zich in de tijd ontwikkelt; zijn vergelijking, de Rutherford-vergelijking, wordt nog steeds gebruikt om de groeisnelheid van eilanden te voorspellen. Het neoclassische mechanisme, met de rol van de bootstrapstroom, werd pas later, in de jaren tachtig, goed begrepen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel is niet om tearing modes te 'gebruiken', maar om ze te begrijpen, te voorspellen en waar mogelijk te onderdrukken. Fusie-energie is alleen commercieel haalbaar als een reactor lang genoeg een heet, stabiel plasma kan vasthouden bij voldoende hoge druk. Neoclassical tearing modes horen tot de belangrijkste beperkingen daarop: ze verlagen de opsluitingskwaliteit van het plasma, kunnen de maximaal haalbare plasmadruk met tientallen procenten beperken, en vormen in het ergste geval de aanzet tot een disruptie: een plotselinge, oncontroleerbare ineenstorting van het plasma die grote mechanische en thermische schokken op de reactorwand kan veroorzaken.
Onderzoekers werken daarom aan drie dingen tegelijk: het beter voorspellen wanneer en waar een tearing mode ontstaat, het vroegtijdig detecteren van een beginnend eiland, en het actief 'dichtsmeren' van zo'n eiland voordat het uit de hand loopt. Slaagt dat, dan kan een reactor bij hogere druk en dus met meer fusievermogen draaien, zonder het risico op een disruptie. Voor een machine als ITER, waar disrupties door de enorme opgeslagen energie serieuze schade kunnen aanrichten, is dit geen academische kwestie maar een praktische ontwerpvoorwaarde.
Voorbeelden uit de praktijk
Bij ASDEX Upgrade, de tokamak van het Max Planck Institute for Plasma Physics in Garching (Duitsland), toonde een team rond Hartmut Zohm eind jaren negentig en begin jaren 2000 voor het eerst overtuigend aan dat je een neoclassical tearing mode kunt onderdrukken door precies op de plek van het magnetische eiland microgolven in te schieten. Deze techniek heet electron cyclotron current drive (ECCD): gerichte microgolfbundels wekken lokaal een extra elektrische stroom op die het gat in de bootstrapstroom opvult en het eiland laat krimpen.
Bij DIII-D, de tokamak van General Atomics in San Diego (Verenigde Staten), werd deze aanpak in de jaren daarna verder ontwikkeld tot een realtime systeem: sensoren detecteren het ontstaan van een eiland, waarna de microgolfbundel automatisch wordt bijgestuurd om het eiland te blijven volgen, ook als het plasma zelf een beetje beweegt.
Ook JT-60U in Japan en de Europese gezamenlijke tokamak JET (Joint European Torus, destijds in Culham, Verenigd Koninkrijk) hebben uitgebreid onderzoek gedaan naar het ontstaan en de onderdrukking van tearing modes bij hoog vermogen.
Bij TCV, de tokamak van de EPFL in Lausanne (Zwitserland), is de laatste jaren geëxperimenteerd met machine learning om plasma-instabiliteiten, waaronder tearing-achtige verstoringen, sneller te herkennen en te regelen dan met traditionele regeltechniek mogelijk is; ook bij DIII-D lopen vergelijkbare experimenten met datagedreven, realtime plasmacontrole.
Hoe ver is de techniek?
De basisfysica van tearing modes wordt inmiddels goed begrepen, en de onderdrukking met ECCD is op meerdere machines herhaaldelijk aangetoond. Dat betekent niet dat het probleem is opgelost. De grootste uitdaging is schaal: hoe groter en heter de tokamak, hoe kritischer het is om het magnetische eiland precies te raken, want de microgolfbundel moet binnen een paar centimeter op de juiste plek terechtkomen in een plasma van tientallen kubieke meters. Ook moet de onderdrukking snel genoeg gebeuren, vaak binnen enkele tientallen milliseconden na het ontstaan van een eiland, om te voorkomen dat het al te groot is geworden.
Een tweede obstakel is voorspelbaarheid: hoewel de basismechanismen bekend zijn, blijft het lastig om vooraf precies te zeggen wanneer en bij welke drukwaarden een NTM in een specifieke, nieuwe reactor zal ontstaan. Modellen en simulaties worden steeds beter, mede dankzij machine learning, maar volledige voorspelbaarheid is er nog niet.
Voor ITER, de internationale testreactor die in Frankrijk wordt gebouwd, is NTM-onderdrukking daarom een expliciet ontwerpvereiste. ITER krijgt een uitgebreid electron cyclotron-systeem, met tientallen gyrotrons die gezamenlijk meer dan twintig megawatt aan microgolfvermogen kunnen leveren via stuurbare 'launchers', deels specifiek bedoeld om eilanden op de kritieke q=2 en q=3/2 oppervlakken te bestrijden. De bouw en levering van dit systeem is, zoals bij vrijwel alle onderdelen van ITER, een langlopend traject met vertragingen; de precieze planning van proefbedrijf verschuift regelmatig, en actuele voortgang is het best te volgen via de officiële ITER-organisatie zelf.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar tearing modes gebeurt wereldwijd, vrijwel overal waar een tokamak staat. In Europa lopen de belangrijkste experimenten bij het Max Planck Institute for Plasma Physics (ASDEX Upgrade, Duitsland), bij de EPFL (TCV, Zwitserland) en, tot de sluiting van dat toestel, bij het Britse Culham Centre for Fusion Energy (JET). Dit werk wordt in Europa gecoördineerd via het EUROfusion-consortium, dat onderzoeksinstituten uit tientallen Europese landen samenbrengt.
In de Verenigde Staten is General Atomics met DIII-D een van de belangrijkste spelers, samen met academische groepen zoals Princeton Plasma Physics Laboratory. In Azië dragen JT-60SA in Japan (de opvolger van JT-60U, een Japans-Europees samenwerkingsproject) en diverse Chinese tokamaks zoals EAST bij aan het onderzoek.
Op mondiaal niveau brengt het ITER-project, met partners uit de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India, deze kennis samen in het ontwerp van de eerste tokamak die netto meer fusie-energie moet produceren dan hij aan opwarming kost. Het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) faciliteert daarnaast internationale uitwisseling van fusieonderzoek, onder meer via zijn Fusion Energy Conference.