Joint European Torus (JET), 's werelds grootste kernfusie-experiment, heeft het record voor de hoeveelheid energie die wordt opgewekt door het fuseren van atomen verdubbeld. Kernfusie is (al even) een veelbelovende, onbeperkte bron van schone energie.
Een 24 jaar oud kernfusierecord is verpulverd. Wetenschappers van het Joint European Torus (JET) experiment in de buurt van Oxford, Verenigd Koninkrijk, kondigen aan dat zij de hoogste energie ooit hebben opgewekt door atomen samen te smelten. Dat is meer dan een verdubbeling van hun eigen record dat al dateert van 1997.
'Deze baanbrekende resultaten hebben ons een enorme stap dichter gebracht bij het overwinnen van een van de grootste wetenschappelijke en technische uitdagingen van allemaal,' zegt Ian Chapman, die leiding geeft aan het Culham Centre for Fusion Energy (CCFE), waar JET is gevestigd, in een verklaring. JET is eigendom van de UK Atomic Energy Authority, maar de wetenschappelijke operaties worden geleid door een Europees samenwerkingsverband, EUROfusion genaamd.
Als onderzoekers kernfusie - het proces dat de zon van energie voorziet - kunnen toepassen, belooft dat een vrijwel onbeperkte bron van schone energie te worden. Tot nu toe heeft nog geen enkel experiment meer energie opgewekt dan erin is gestopt. De resultaten van JET veranderen daar niets aan, maar suggereren wel dat een vervolgproject voor fusiereactoren waarbij dezelfde technologie en brandstofmix wordt gebruikt - het ambitieuze ITER, waarmee 22 miljard dollar is gemoeid en dat in 2025 met fusie-experimenten moet beginnen - uiteindelijk wel in staat moet zijn om dit doel te bereiken.
'JET heeft echt bereikt wat was voorspeld. Dezelfde modellering zegt nu dat ITER zal werken,' zegt fusiefysicus Josefine Proll van de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland, die niet bij het onderzoek van JET betrokken was. 'Het is echt een heel goed teken en ik ben enthousiast.'
Twee decennia werk
De experimenten - het hoogtepunt van bijna twee decennia werk - zijn belangrijk om wetenschappers te helpen voorspellen hoe ITER zich zal gedragen en zullen richting geven aan de operationele instellingen, zegt Anne White, een plasmafysicus aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge die werkt aan tokamaks, dat zijn reactoren zoals JET die een donutvorm hebben. 'Ik ben er zeker van dat ik niet de enige ben in de fusiegemeenschap die het JET-team van harte wil feliciteren.'
JET en ITER gebruiken magnetische velden om plasma, een oververhit gas van waterstofisotopen, op te sluiten in de tokamak. Onder hitte en druk smelten de waterstofisotopen samen tot helium, waarbij energie vrijkomt in de vorm van neutronen.
Om het energierecord te breken, gebruikte JET een tritiumbrandstofmengsel, hetzelfde mengsel dat ook ITER zal aandrijven, de reactor die in Zuid-Frankrijk wordt gebouwd. Tritium is een zeldzame en radioactieve isotoop van waterstof die, wanneer hij fuseert met deuterium, veel meer neutronen produceert dan deuteriumreacties alleen. Dat verhoogt de energie-output, maar om deze brandstof te gebruiken moest de JET meer dan twee jaar worden gerenoveerd om de machine voor te bereiden op de aanval. Tritium werd voor het laatst gebruikt door een tokamak-fusie-experiment toen JET in 1997 het vorige record voor fusie-energie vestigde.
Bij een experiment op 21 december 2021 produceerde de tokamak van JET 59 megajoule energie gedurende een fusie-'puls' van vijf seconden, meer dan het dubbele van de 21,7 megajoule die in 1997 in ongeveer vier seconden vrijkwam. Hoewel het experiment van 1997 nog steeds het record 'piekvermogen' heeft, duurde dat maar een fractie van een seconde en was het gemiddelde vermogen toen minder dan de helft van dat van nu, zegt Fernanda Rimini, een plasmawetenschapper aan de CCFE die toezicht hield op de laatste experimentele campagne. De verbetering vergde 20 jaar van experimentele optimalisering, evenals hardware-upgrades die onder meer de vervanging van de binnenwand van de tokamak omvatten om minder brandstof te verspillen, zegt zij.
Vermogensverhouding
Het produceren van energie gedurende een aantal seconden is essentieel voor het begrijpen van de verhitting, afkoeling en beweging binnen het plasma die cruciaal zullen zijn voor de werking van ITER, zegt Rimini. Vijf seconden 'is heel wat', voegt Proll toe, die werkt aan een alternatief ontwerp voor een fusiereactor, een stellarator genaamd. 'Het is echt heel indrukwekkend.'
Vorig jaar vestigde de National Ignition Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie een ander fusierecord - het gebruikte lasertechnologie om het hoogste fusievermogen ten opzichte van het opgenomen vermogen te produceren, een waarde die Q wordt genoemd. De faciliteit produceerde een Q van 0,7, waar 1 break-even zou zijn - een mijlpaal voor laserfusie die het record van JET uit 1997 versloeg. Maar het experiment was van korte duur en produceerde slechts 1,9 megajoule in minder dan 4 miljardste van een seconde.
Het laatste experiment van JET hield gedurende vijf seconden een Q-waarde van 0,33 aan, aldus Rimini. Met een tiende van het volume is JET een verkleinde versie van ITER - een badkuip vergeleken met een zwembad, zegt Proll, en omdat het gemakkelijker warmte verliest, werd nooit verwacht dat het break-even zou bereiken. Als de ingenieurs dezelfde voorwaarden en natuurkundige benadering op ITER zouden toepassen, zegt ze, zou het waarschijnlijk zijn doel van een Q van 10 bereiken, d.w.z. tien keer de energie produceren die erin is gestopt.
Fusie-onderzoekers hebben nog lang niet alle antwoorden. Een van de resterende uitdagingen is bijvoorbeeld het omgaan met de hitte die ontstaat in het uitlaatgebied van de ITER-reactor, waarvan het oppervlak groter zal zijn dan dat van JET, maar niet evenredig met de toename van het vermogen dat de reactor zal moeten verwerken. Er wordt onderzoek verricht om uit te vinden welk ontwerp het best bestand is tegen de hitte, maar zover zijn ze nog niet, zegt Proll.
De recordrun vond plaats op de laatste dag van een vijf maanden durende campagne die volgens Rimini de wetenschappers een schat aan informatie heeft opgeleverd die zij de komende jaren zullen analyseren. Bij het eindexperiment werd het apparaat tot het "absolute maximum" opgevoerd, voegt Rimini eraan toe, die in real time getuige was van de recordtest. 'We sprongen niet op en neer en omhelsden elkaar niet - we zaten op 2 meter afstand - maar het was erg spannend.'
Bron: Nature News
