Fusiegas blijft heet door tegendraadse warmtestroming
Wie tijdens een kernfusie-experiment in het reactorvat kijkt, ziet een ijl egaal rood gloeiend gas (plasma geheten). Het plasma lijkt homogeen. Lange tijd hebben onderzoekers aangenomen dat zo'n plasma inderdaad gelijkmatig van opbouw is. Experimenten in het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein hebben aangetoond dat de werkelijkheid volstrekt anders is. In een sterk verhit plasma vormen zich hete slierten en heel dunne lagen waarover een grote temperatuursprong optreedt. De structuur is complex en vertoont zelf-organisatie. Op 20 november publiceerden onderzoekers van Rijnhuizen en collega's uit Milaan in het vooraanstaande vaktijdschrift Physical Review Letters metingen waarin voor het eerst te zien is dat het warmtetransport in zo'n complex plasma onorthodox verloopt: deels van warm naar koud, wat normaal is, maar deels ook van koud naar warm! Die kennis is voor het bedrijven van toekomstige fusiereactoren van groot belang.
Het hete plasma in een fusie-experiment is opgesloten in een magneetveld. Het is met een temperatuur van zo'n 100 miljoen graden veel te heet om gewoon in een vat op te sluiten. Voor het fusie-plasma wordt een vat in de vorm van een autoband, een torus, gebruikt. Met grote spoelen worden magneetlijnen opgewekt die door het vat spiraliseren. Dit magneetveld is zo ontworpen dat de magneetlijnen nergens de wand van het vat raken. Hierdoor wordt ook het contact van het plasma - dat als het ware aan de magneetlijnen zit gekleefd - met de wand vermeden.
Interessant genoeg is er een zeer algemene wiskundige theorie die beschrijft hoe de magneetlijnen zich in een torus gedragen. Deze theorie voorspelt dat kleine onvolkomenheden in het magneetveld leiden tot de vorming van magnetische slierten die door de torus spiraliseren. Binnen deze slierten winden de magneetlijnen zich rond elkaar. De sliertvorming treedt slechts in bepaalde gebieden op, die zijn gescheiden door dunne lagen waarin de magneetlijnen keurig parallel lopen. Het plasma in de torus ziet er in doorsnede uit als een worst vol met slierten en concentrische schillen.
Temperatuursprongen meten
Experimenteel is het sinds kort mogelijk deze structuur aan te tonen. Dit vereist buitengewoon nauwkeurige metingen van de temperatuur in het plasma - geen sinecure in een plasma met een temperatuur van 100 miljoen graden! Rijnhuizen beschikt over unieke expertise op dit gebied. Apparatuur voor temperatuurmeting met het beste oplossende vermogen in de wereld werd op Rijnhuizen gebouwd voor het vroegere Rijnhuizen Tokamak Project of RTP (tokamak is het Russische acronym voor opsluiting met behulp van een magneetveld in torus).
De meetmethode - waarvan het principe al lang bekend is en vernoemd naar de Engelse natuurkundige Thomson - is gebaseerd op de verstrooiing van fotonen door de elektronen in het plasma. Een zeer sterke laserbundel wordt verticaal door het plasma gezonden, het verstrooide licht wordt door een lens afgebeeld op een pakket van glasfibers en naar een zogeheten polychromator geleid.
Daar wordt het licht in kleuren geschift en tenslotte gedetecteerd. Omdat snelle elektronen het verstrooide licht meer van kleur doen veranderen dan tragere (een voorbeeld van het bekende Doppler-effect), is de verkleuring van het laserlicht een maat voor de temperatuur.
Toen de onderzoekers van Rijnhuizen met deze methode de temperatuur van het plasma nauwkeurig gingen meten, vonden zij dunne lagen of schillen waarover de temperatuur sterk verspringt. Deze lagen worden transportbarrières genoemd. De mooiste manier om de transportbarrières zichtbaar te maken is door een sterke, lokale warmtebron door het plasma te bewegen: telkens wanneer de bron een transportbarrière passeert stort de temperatuur een stuk in. Een model werd opgesteld waarin het warmtetransport wordt beschreven met behulp van transportbarrières. Dit model bleek zeer goed in staat de metingen te benaderen: eerst in het kleine experiment RTP, maar inmiddels ook in de grote Europese fusiemachine JET in Engeland. In dit model wordt een verband gelegd tussen de structuur van het magneetveld en het optreden van transportbarrières.
Transport van koud naar warm!
Onderzoek door de groep wetenschappers uit Rijnhuizen en Milaan laat zien dat het warmtetransport in de transportbarrières zeer onorthodox verloopt. Er blijken twee tegengestelde warmtestromen te zijn. Ten eerste is er het normale warmteverlies, waarin de warmte van hoge naar lage temperatuur stroomt. In de tweede plaats is er een warmtestroom tégen het temperatuurverval in: alsof hete elektronen van lage naar hoge temperatuur bewegen en daar hun warmte afgeven. In een normale situatie zijn deze twee warmtestromen niet te onderscheiden. In het experiment van Rijnhuizen/Milaan werden echter kleine warmtegolfjes opgewekt en in de tijd gevolgd. Hierdoor werd zichtbaar dat de warmte tegen het warmteverval in beweegt.
De sterkte van deze tegendraadse warmtestroom - de onderzoekers spreken van een 'heat pinch' - blijkt te kunnen worden beïnvloed met behulp van ingestraalde microgolven. De frequentie van de microgolven wordt zo afgestemd dat deze zeer efficiënt worden geabsorbeerd door de elektronen in het plasma (deze techniek heet ECRH: electron cyclotron resonance heating). Deze technisch geavanceerde methode om een opgesloten plasma te verhitten is recent de kinderjaren ontgroeid en wordt nu bij de grote fusiemachines geïnstalleerd. Het grote voordeel van deze verhittingstechniek is de microscopische precisie waarmee de energie zeer plaatselijk gedeponeerd kan worden. Dit biedt unieke mogelijkheden om naast 'bruto' verhitting van het plasma, ook via lokale beïnvloeding van de temperatuur het plasma te optimaliseren. Daarnaast is de zeer lokale verhitting uiteraard een fantastisch stuk gereedschap bij het onderzoek naar de warmtestromen door het plasma.
Experimenten bij grote machines
De onderzoekers van Rijnhuizen zetten het onderzoek naar transportbarrières voort in de fusiemachine TEXTOR[1] in het Forschungszentrum Jülich bij Aken, waar ze met Duitse en Belgische collega's samenwerken. Ze onderzoeken ook of hun inzichten toepasbaar zijn in JET[2]. Hierbij is de Nederlandse expertise op het gebied van microgolfverhitting een grote troef: het nieuwe ECRH-systeem voor JET, een investering van circa 25 miljoen euro, wordt door een Nederlands team van Rijnhuizen gebouwd. Bij JET wordt momenteel ook overwogen een apparaat voor het meten van Thomsonverstrooiing bij Rijnhuizen te bestellen. Eerder al heeft Rijnhuizen een soortgelijk instrument gebouwd voor het TJ-II experiment in Madrid en voor TEXTOR.
Meer informatie: prof.dr. Niek Lopes Cardozo, tel.: (030) 609 69 99.
_________________________
[1] Het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen heeft zijn experimentele fusiewerk in 1998 na sluiting van de eigen tokamak RTP ondergebracht in een samenwerkingsverband met het Forschungzentrum Jülich en het Belgische centrum voor fusieonderzoek KMS in Brussel. Dit samenwerkingsverband staat bekend als het Trilateral Euregio Cluster (TEC). Het experimentele werk wordt gedaan aan de fusiemachine TEXTOR. Er werken nu permanent onderzoekers en technici van Rijnhuizen in Jülich.
[2] In het Europese fusieprogramma is sinds dit jaar veel veranderd. De onderneming die de Joint European Torus (JET) vanaf 1978 was, is op 31 december 1999 beëindigd. Ervoor in de plaats is gekomen de European Fusion Development Agreement (EFDA). De EFDA heeft het in bedrijf houden van JET aan het fusielaboratorium van de UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Agency) in Culham uitbesteed. Het uitvoeren van experimenten is een zaak geworden van alle aan EFDA gelieerde laboratoria. Zij dienen voorstellen voor meettijd in JET bij EFDA in en als die voorstellen worden toegewezen sturen ze een tijdelijk team van onderzoekers om de metingen te doen. Het geheel wordt georganiseerd en gecoördineerd door een klein team op JET, onder leiding van de 'EFDA-JET associate leader', de Fransman Jerome Pamela. Deze manier van werken was even wennen, maar loopt nu heel goed. Veel van dit werk is ook direct relevant voor de volgende te bouwen experimentele fusiereactor ITER-FEAT. De tekeningen van ITER-FEAT liggen klaar en het wachten is slechts op politieke steun om met de bouw van start te gaan. In Europa heeft Frankrijk een plaats (Cadarache in de Provence) aangeboden om de ITER-FEAT te bouwen.