Onderzoekers in China hebben een belangrijke stap voorwaarts gezet in de ontwikkeling van fusie-energie, waarbij ze met succes een al lang bestaande dichtheidslimiet in experimentele reactoren hebben overschreden. De doorbraak bij de Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) toont aan dat de traditionele beperkingen op de plasmadichtheid – een kritische factor in de fusie-efficiëntie – kunnen worden omzeild door nauwkeurige controle van de reactoromstandigheden. Dit is van belang omdat een toenemende plasmadichtheid rechtstreeks verband houdt met een hogere energieproductie, een belangrijke uitdaging bij het levensvatbaar maken van fusie-energie.
De Greenwald-limiet en waarom dit ertoe doet
Decennia lang hebben fusiefysici gewerkt onder wat bekend staat als de Greenwald-limiet: een praktische grens waarboven oververhit plasma de neiging heeft onstabiel te worden, wat potentieel schadelijke reactorcomponenten kan veroorzaken. Dit werd niet als een harde wet van de natuurkunde beschouwd, maar eerder als een waargenomen fenomeen dat dicteerde hoe ver de plasmadichtheid binnen een tokamak (een donutvormig magnetisch opsluitingsapparaat) kon worden geduwd voordat het instortte.
Het probleem? Hoe meer atomen er in het plasma zitten, hoe meer fusiereacties er optreden en dus hoe hoger de energieopbrengst. Maar naarmate de dichtheid toeneemt, straalt het plasma energie uit, koelt het af aan de grens en trekt het onzuiverheden uit de reactorwanden. Deze onzuiverheden versnellen de afkoeling, waardoor meer onzuiverheden vrijkomen in een destructieve feedbacklus die de magnetische opsluiting verslechtert en de reactie stopzet.
Het dichtheidsvrije regime: een nieuwe aanpak
Recent theoretisch werk suggereerde een manier om deze limiet te omzeilen: het beheersen van plasma-wandinteracties tijdens het opstarten van de reactor om de opbouw van onzuiverheden te voorkomen. Een team onder leiding van Ping Zhu en Ning Yan testte deze theorie bij EAST, waarbij hij de brandstofgasdruk zorgvuldig aanpaste en elektronencyclotronresonantieverwarming toepaste.
Het resultaat? Ze bereikten plasmadichtheden 65% hoger dan de Greenwald-limiet, door het binnendringen van wandonzuiverheden in het plasma dramatisch te verminderen. Dit is geen volledige eliminatie van dichtheidslimieten, maar het bewijst dat de traditionele barrière niet absoluut is.
Implicaties voor toekomstige fusiereactoren
Deze bevinding suggereert dat fusiereactoren efficiënter kunnen worden ontworpen en geëxploiteerd dan eerder werd gedacht. Door operationele processen aan te passen, kunnen toekomstige apparaten mogelijk reacties met een hogere dichtheid en hogere energie ondersteunen. De onderzoekers blijven hun methoden verfijnen om te zien hoe EAST presteert onder deze verbeterde omstandigheden.
“De bevindingen suggereren een praktisch en schaalbaar pad voor het verlengen van de dichtheidslimieten in tokamaks en de volgende generatie brandende plasmafusie-apparaten”, zegt Zhu.
Deze doorbraak is belangrijk omdat ze een belangrijke wegversperring op de weg naar duurzame fusie-energie wegneemt, waardoor we dichter bij een schone, vrijwel onbegrensde energiebron komen.
