Processen diep in een fusieplasma beheersen
Op 24 mei 2006 zullen de Europese Unie, de Russische Federatie, de Verenigde Staten, Japan, China, Zuid-Korea en India tijdens een bijeenkomst in Brussel op ministerieel niveau hun samenwerking in het ITER-project bekrachtigen. Daarmee is dan de weg vrij voor het ratificeren van het ITER-verdrag. ITER is de volgende stap op weg naar een kernfusiereactor. Het is van het grootste belang het plasma in zo'n reactor te kunnen beheersen, want alleen dan worden de vereiste omstandigheden geschapen waarin de reactor ongestoord energie kan leveren. De stabiliteit van het plasma wordt onder andere bedreigd door een verschijnsel dat bekend staat als de zaagtandinstabiliteit. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein hebben nu, samen met Amerikaanse collega's, voor het eerst met zoveel detail kunnen waarnemen wat er in de instabiliteit gebeurt dat theoretische modellen over het gedrag van de instabiliteit getoetst kunnen worden. Dat zal ertoe bijdragen dat onderzoekers het gedrag van de instabiliteit eindelijk zullen kunnen begrijpen. Met een beter begrip wordt het ook mogelijk de instabiliteit zo te manipuleren dat het fusieplasma er beter van wordt. De onderzoekers publiceren hun metingen en vergelijkingen van theoretische modellen later deze maand in twee artikelen in het vakblad Physical Review Letters.
De filmpjes (avi-bestanden) laten de instabiliteiten in een plasma zien: film 1 en film 2.
Bijna een jaar geleden - op 28 juni 2005 - werd het plaatsje Cadarache in Zuid-Frankrijk gekozen als vestigingsplaats voor de internationale fusiereactor ITER. Op 24 mei 2006 zal in Brussel het ITER-verdrag door de zeven partners: de Europese Unie (plus Zwitserland), de Russische Federatie, de Verenigde Staten, Japan, China, Zuid-Korea, en India op ministerieel niveau worden bekrachtigd. Volgens de laatste planning zal in 2016 het eerste plasma in ITER ontstoken worden. Op het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen is men nu al volop bezig met het ontwikkelen van instrumentatie om het plasma in ITER actief te kunnen beheersen. Binnen Nederland wordt op dit gebied nauw samengewerkt met TNO, NRG en diverse bedrijven. Parallel hieraan proberen wetenschappers van FOM-Rijnhuizen een beter begrip te krijgen van processen die diep in het fusieplasma plaatsvinden, met als uiteindelijk doel het actief beheersen van deze processen. Een grote uitdaging voor ITER is het detecteren en onderdrukken van real time instabiliteiten. Dit zijn snelle processen die lokaal in het plasma optreden en die warmte en deeltjes naar de wand laten lekken.
Instabiliteit in fusieplasma doorgronden
Een voorbeeld van een dergelijke instabiliteit is de periodieke zaagtandinstabiliteit. Hij ontleent zijn naam aan de ontwikkeling van de centrale druk in het plasma: deze loopt langzaam op, tot hij in zeer korte tijd ineenstort tot zijn beginwaarde. Het exacte proces dat zich tijdens deze instabiliteit afspeelt is al meer dan 30 jaar onderwerp van intensief onderzoek. Onlangs hebben onderzoekers van Rijnhuizen in samenwerking met twee Amerikaanse groepen (van Princeton Plasma Physics Laboratory en de University of California at Davis) nieuw licht op het fenomeen geworpen. Zij hebben een nieuwe tweedimensionale camera met hoge resolutie (in zowel plaats als tijd) ontworpen voor microgolven, die door het plasma uitgezonden worden en waarvan de intensiteit de temperatuur van het plasma aangeeft. Op de tokamak (fusiemachine) TEXTOR in het Duitse Jülich (thuisbasis voor het Nederlandse fusie-onderzoek) kon zo voor het eerst worden aangetoond dat tijdens de zaagtandcrash de warmte vanuit het centrum van het plasma door een smalle verstoring in het magneetveld dat het plasma opsluit, naar buiten toe stroomt. De metingen geven een tweedimensionaal beeld van de verstoring van de vorm van het magneetveld en dit maakt het mogelijk om de metingen op een zeer directe manier te vergelijken met voorspellingen door de gangbare theoretische modellen. De eerste vergelijking met de modellen heeft tot de conclusie geleid dat één model niet geschikt is, terwijl twee andere modellen slechts een gedeelte van het proces goed beschrijven. Met de nieuwe metingen kunnen theoretische onderzoekers hun modellen verder aanpassen en verbeteren waardoor uiteindelijk een volledig begrip van de zaagtandinstabiliteit mogelijk wordt. De metingen met de nieuwe camera én de vergelijking met de theoretische modellen worden in mei 2006 in twee artikelen* in de Physical Review Letters gepubliceerd.
'Knop' om instabiliteit te sturen
Voor de toekomstige generatie fusiemachines, waaronder ITER, is dat betere begrip van de zaagtandinstabiliteit van groot belang. De instabiliteit die spontaan in het plasma optreedt heeft als belangrijk effect dat heliumdeeltjes – de 'as' van de fusiereactie – vanuit het centrum van het plasma naar de rand worden afgevoerd, waardoor de fusiereactie niet verstikt. Wanneer de instabiliteit evenwel niet beheerst wordt, kunnen de temperatuur en dichtheid van de plasmakern te laag worden. Vandaar dat het belangrijk is om de instabiliteit te beheersen. Idealiter wil men een 'knop' om de instabiliteit aan/uit te zetten en om de grootte en de frequentie van de zaagtand te beheersen. Ook op dit laatste terrein heeft het onderzoeksteam van FOM-Rijnhuizen een belangrijke stap voorwaarts gemaakt. Met behulp van een zeer intense bundel microgolfstraling (1 megawatt) kan het team het plasma in TEXTOR zeer lokaal verhitten. Door dit vermogen zeer nauwkeurig te deponeren kan men de zaagtandperiode verkorten of verlengen. Dit heeft uiteraard een belangrijk effect op de snelheid waarmee de helium-as uit de reactorkern kan worden afgevoerd.
Nederland en ITER
Tenslotte richt Rijnhuizen zich sterk op de instrumentele kant van ITER. Samen met TNO, NRG en diverse Nederlandse bedrijven wordt gewerkt aan een lanceersysteem voor microgolven in het ITER-plasma. Dit systeem is in wezen identiek aan het systeem dat wordt gebruikt op de tokamak TEXTOR. Het grote verschil zit hem in het feit dat het lanceersysteem voor ITER in staat moet zijn om totaal 12 megawatt aan vermogen in het plasma te deponeren om instabiliteiten te kunnen beheersen en te zorgen dat het plasma stabiel brandt.
ITER is een grootschalig internationaal wetenschappelijk en technologisch project met als doel om de volgende grote stap te zetten om kernfusie als schone, veilige en onuitputtelijke energiebron te ontwikkelen. De huidige partners zijn de Europese Unie, de Russische Federatie, Japan, China, de Verenigde Staten, Zuid Korea en India. Het ITER-project begon eind jaren tachtig van de vorige eeuw als een initiatief van Reagan en Gorbatsjov, de toenmalige presidenten van de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie. Het ontwerp van ITER en de bouw van belangrijke prototypes van componenten werd in 2001 voltooid. Europa vervult een leidende rol in het project. ITER moet aantonen dat het mogelijk is om langdurig energie op te wekken met kernfusie, en is daarom ontworpen om gedurende 10 minuten zo'n 500 Megawatt op te wekken, tien maal meer dan wordt gebruikt voor het instandhouden van het hete fusieplasma. ITER is het grootste internationale wetenschappelijke onderzoeksproject ter wereld; de deelnemende landen vertegenwoordigen meer dan de helft van de wereldbevolking.
Meer informatie bij dr. Tony Donné of drs. Amy Shumack, telefoon (030) 609 69 99.
* Observation of the High Field Side Crash and Heat Transfer during Sawtooth Oscillation in Magnetically Confined Plasmas,
H. K. Park1, N.C. Luhmann Jr.2, A.J.H. Donné3, I.G.J. Classen3, C.W. Domier2, E. Mazzucato1, T. Munsat4, M.J. van de Pol3, Z. Xia2 and TEXTOR team5
1Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton, New Jersey, U.S.A
2University of California at Davis, California, U.S.A.
3 FOM-Institute for Plasma Physics Rijnhuizen**, Association EURATOM-FOM, P.O. Box 1207, 3430 BE Nieuwegein, The Netherlands
4University of Colorado at Boulder, Colorado, U.S.A
5Forschungszentrum Jülich GmbH**, Institut für Plasmaphysik, Association EURATOM-FZJ, D-52425 Jülich, Germany
**partners in the Trilateral Euregio Cluster
* Comparison Study of 2-D Images of Temperature Fluctuations during the Sawtooth Oscillation with Theoretical Models,
H. K. Park1, A.J.H. Donné2 , N.C. Luhmann Jr.3, I.G.J. Classen2, C.W. Domier3, E. Mazzucato1, T. Munsat4, M.J. van de Pol2, Z. Xia2 and TEXTOR team5
1Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton, New Jersey, U.S.A
2 FOM-Institute for Plasma Physics Rijnhuizen**, Association EURATOM-FOM, P.O. Box 1207, 3430 BE Nieuwegein, The Netherlands
3University of California at Davis, California, U.S.A.
4University of Colorado at Boulder, Colorado, U.S.A.
5Forschungszentrum Jülich GmbH**, Institut für Plasmaphysik, Association EURATOM-FZJ, D-52425 Jülich, Germany
**partners in the Trilateral Euregio Cluster