Fusiegas blijkt bundel spaghetti
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein hebben met, door hun ontwikkelde, zeer nauwkeurige meetapparatuur aangetoond dat het zeer hete gas (plasma) dat opgesloten is in de fusiemachine TEXTOR in Jülich (Duitsland) lokale structuren bevat. Het meest in het oog springen hete slierten plasma, zogenaamde filamenten, waarin de temperatuur enkele tientallen miljoenen graden hoger is dan in het omringende plasma. Deze hete filamenten, die het meest doen denken aan een bundel spaghetti, waren al eerder waargenomen in het kleine Rijnhuizen Tokamak Project (RTP), maar werden door buitenlandse collega-wetenschappers meestal beschouwd als een specifiek kenmerk van het RTP-plasma, en niet als een algemene eigenschap van hete, in magneetvelden opgesloten plasma's. Het feit dat nu ook structuren zijn waargenomen in het TEXTOR-plasma dat veel grotere afmetingen heeft, doet een van de meest gebruikte basisideeën in de plasmafysica wankelen. Professor Niek Lopes Cardozo (hoofd van de afdeling plasmafysica van het FOM-instituut) hierover: 'We zijn er in de fusie altijd van uit gegaan dat een plasma een keurig geordend medium is. Onze metingen tonen aan dat de werkelijkheid anders is. Een plasma in een magneetveld blijkt niet mooi gelijkmatig van opbouw, maar vol met kleine structuren te zitten.'
De fusiemachine TEXTOR is van het type tokamak. Dat is een torusvormige magnetische configuratie (in de vorm van een autoband) waarin plasma's met een hoge temperatuur (typisch enkele tientallen miljoenen graden) kunnen worden opgesloten. Het uiteindelijke doel van het onderzoek is het bereiken van omstandigheden waaronder de atoomkernen in het plasma met elkaar fuseren, onder het vrijkomen van zeer veel energie die kan worden gebruikt voor de opwekking van elektriciteit.
In het algemeen wordt door plasmafysische onderzoekers over de hele wereld aangenomen dat de temperatuur in het plasma een gladde functie is van de positie in dat plasma, met de hoogste temperatuur in het centrum en de laagste temperatuur aan de rand van het plasma. Het is onder meer vanwege deze veronderstelling dat de meeste tokamaks zijn uitgerust met meetapparatuur met slechts een beperkt ruimtelijk oplossend vermogen (typisch 1/10 - 1/20 van de plasmadiameter). Immers, waarom zou je met een betere plaatsoplossing meten als je toch verwacht dat het profiel glad is?
Temperatuur meten met licht
De filosofie van het team van Rijnhuizen is altijd geweest dat alle metingen en de interpretatie daarvan op zo min mogelijk veronderstellingen dienen te zijn gebaseerd, en dat werpt zijn vruchten af. Al vanaf 1994 werden in het Rijnhuizen Tokamak Project (RTP) filamenten waargenomen met behulp van Thomsonverstrooiing. In deze techniek wordt een krachtige laserbundel door het plasma geschoten. In deze laserbundel hebben alle lichtdeeltjes (fotonen) uiteraard exact dezelfde golflengte. De elektronen in het plasma worden in het elektromagnetische veld van de laserbundel versneld en zenden op hun beurt fotonen uit met een golflengte die anders is dan die in de oorspronkelijke laserbundel: de golflengte van het uitgezonden licht is verschoven door het Dopplereffect. Omdat ieder elektron een andere snelheid en bewegingsrichting heeft zal men, wanneer men tegelijkertijd het licht van vele elektronen waarneemt, zien dat het golflengtespectrum van het licht is verbreed. Deze zogeheten Dopplerverbreding geeft een directe en absolute maat voor de temperatuur van de elektronen.
Sinds het sluiten van de eigen tokamak in Rijnhuizen (in 1998) doen onderzoekers van Rijnhuizen experimenten in de tokamak TEXTOR. Medio 2000 hebben ze hun apparatuur voor Thomsonverstrooiing in TEXTOR in bedrijf genomen. Hiermee kunnen ze gelijktijdig de elektronentemperatuur en -dichtheid meten op circa 120 posities in het plasma met een plaatsnauwkeurigheid van circa 7,5 millimeter. Daarmee is het instrument qua resolutie en nauwkeurigheid wereldrecordhouder voor dit type metingen. Dit is het resultaat van eendrachtig samenwerken van projectleider drs. Hennie van der Meiden, technicus ir. Theo Oyevaar en 'mastermind' dr. Rolie Barth. Dr. Tony Donné (projectleider instrumentatieontwikkeling): 'Na jarenlange ontwikkeling zijn we nu zover dat we met afstand de beste Thomsonverstrooiingsapparatuur bouwen. We hebben dat gedaan voor RTP en we hebben het nu gedaan voor TEXTOR, maar we hebben ook een instrument verkocht aan het Spaanse CIEMAT instituut en zijn momenteel in de markt voor het bouwen van zo'n opstelling in 's werelds grootste fusie-experiment JET in Engeland'.
Hete slierten in het plasma
Met de unieke gedetailleerdheid van deze metingen werd aangetoond dat ook het plasma in TEXTOR geen homogene soep is, maar een rijke structuur heeft. Twee typen structuren vallen op: gebieden waarin de temperatuur over korte afstand sterk verloopt (zogenaamde transportbarrières) en de al genoemde filamenten, slierten plasma die veel heter zijn dan het omringende plasma. De metingen bevestigen de eerdere resultaten die door hetzelfde team in de kleine tokamak RTP in Nieuwegein zijn behaald. Lopes Cardozo hierover: 'We zijn er in de fusie altijd van uit gegaan dat een plasma een keurig geordend medium is. Onze metingen tonen aan dat de werkelijkheid anders is. Vergelijk het met dat andere hete plasma, de zon. Als je die van dichtbij bekijkt, blijkt het ook een kolkende plasmazee te zijn, waarin voortdurend koude en hete gebieden door elkaar draaien en in elkaar opgaan. Als je dat eenmaal hebt gezien, weet je dat je op zoek moet naar een nieuwe grondslag voor de theoretische modellering van het plasma.'
Meer informatie bij prof.dr. N.J. Lopes Cardozo, hoofd van de afdeling Plasmafysica van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, tel.: (030) - 6096 831, e-mail: cardozo@rijnh.nl of dr. A.J.H. Donné, projectleider van de groep Instrumentatieontwikkeling, tel. +00 49 24 61 61 36 55, e-mail: donne@rijnh.nl.
Zie ook Fusiegas blijft heet door tegendraadse warmtestroming.