De experimentele kernfusiereactor van China, vaak de ‘kunstmatige zon’ genoemd, heeft een belangrijke mijlpaal bereikt door plasma met een hoge dichtheid in stand te houden voorbij eerder vastgestelde operationele limieten. Deze vooruitgang brengt de mensheid dichter bij het lang gezochte doel van vrijwel onbeperkte, schone energie – hoewel praktische toepassingen nog tientallen jaren op zich laten wachten.
De uitdaging van fusie
Kernfusie – het proces dat de zon aandrijft – houdt de belofte in van overvloedige energie zonder het radioactieve afval dat gepaard gaat met kernsplijting of de uitstoot van broeikasgassen door fossiele brandstoffen. Het repliceren van dit proces op aarde is echter ongelooflijk moeilijk. Eén grote hindernis is het handhaven van stabiel plasma : oververhitte materie waarin atomen samensmelten. Plasma heeft de neiging onstabiel te worden bij hoge dichtheden, waardoor de reactie stopt. Deze instabiliteit wordt beheerst door wat wetenschappers de Greenwald-limiet noemen.
Hoe China de grens verbrak
De Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) reactor in China heeft deze limiet overwonnen door de interactie van het plasma met de reactorwanden zorgvuldig te controleren. Onderzoekers hebben de initiële brandstofgasdruk en de frequentie van microgolfverwarming verfijnd om plasma stabiel te houden bij dichtheden die 1,3 tot 1,65 keer hoger zijn dan de Greenwald-limiet. Hierdoor konden ze een eerder theoretische toestand bereiken die het “dichtheidsvrije regime”** werd genoemd, waarbij de stabiliteit behouden blijft, zelfs als de dichtheid toeneemt.
“De bevindingen suggereren een praktisch en schaalbaar pad voor het verlengen van de dichtheidslimieten in tokamaks en de volgende generatie brandende plasmafusie-apparaten.” – Ping Zhu, co-hoofdauteur
Dit is niet de eerste keer dat de Greenwald-limiet wordt overschreden. De DIII-D-faciliteit van het Amerikaanse ministerie van Energie en onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben ook soortgelijke doorbraken bereikt. Het succes van EAST markeert echter de eerste keer dat plasma in stand wordt gehouden in het dichtheidsvrije regime, wat een theorie bevestigt die plasma-wall zelforganisatie (PWSO) wordt genoemd. PWSO suggereert dat een evenwichtige interactie tussen plasma en reactorwanden zelfs extreem dicht plasma kan stabiliseren.
Waarom dit belangrijk is
Fusieonderzoek is een langzaam, stapsgewijs proces. Hoewel praktische fusie-energie nog tientallen jaren op zich laat wachten, is het overwinnen van de Greenwald-grens een cruciale stap voorwaarts. De grotere dichtheid maakt frequentere atomaire botsingen mogelijk, waardoor de energie die nodig is om een zichzelf in stand houdende reactie op gang te brengen, wordt verlaagd.
China en de VS werken samen aan de Internationale Thermonucleaire Experimentele Reactor (ITER) in Frankrijk – de grootste tokamak ter wereld – die naar verwachting in 2039 volledige fusiereacties zal gaan produceren. Vooruitgang bij faciliteiten als EAST zal direct de ontwikkeling van toekomstige reactoren beïnvloeden, waardoor de grenzen worden verlegd van wat mogelijk is op het gebied van fusie-energie.
Ondanks de vooruitgang blijft fusie een experimentele wetenschap. Hoewel het potentieel enorm is, zal het de huidige klimaatcrisis niet oplossen. Het zou echter een duurzame energiebron voor de komende generaties kunnen zijn.
