Laat ons het eens even in detail uitleggen dan. Het is inderdaad een interessant onderwerp. Voor alle duidelijkheid: het gaat verder over de TOKAMAK, wat in ITER zal gebeuren. Er zijn ook andere methoden maar deze is waar we momenteel het verst mee staan. Eerst wat uitleg over de processen, dan wat de rol van ITER en DEMO is. Ik hoop dat dit Ger een beetje tevreden stelt...
Het doel is de reactie
\(^2H+^3H \rightarrow ^4He+n\)
te gebruiken om energie te winnen. Deze heeft de grootste kans om door te gaan per keer dat er gebotst wordt. Op termijn zou deze reden misschien aan belang kunnen verliezen, en zouden andere processen bevoordeeld kunnen worden.
We hebben een torus, met daarin plasma, opgesloten via magneetvelden. De magneetvelden hebben een component langs de torus, en een "ringvormige" component. Deze laatste wordt opgewekt door gepulste stromen in het plasma, en is nodig om het plasma stabiel te houden. gevolg: TOKAMAKs werken (voorlopig) gepulsd.
Uit het centrum van het plasma, zal uiteraard heel wat warmte wegvloeien, o.a. via lekken van geladen deeltjes. Turbulentie speelt hierbij een grote rol. Ook Brehmsstraling ontstaat, doordat geladen deeltjes versnellen. Deze energie zijn we kwijt en kunnen we niet recupereren (het plasma is te klein voor reabsorptie van de straling). Er zijn 2 mogelijkheden om te compenseren voor dit energieverlies.
-Door de fusiereactie winnen we energie. 1/5 van de energie gaat naar de (geladen) He-atomen. Deze blijven opgesloten door het magneetveld, en zullen deze dus na verloop van tijd afstaan aan het plasma, en kunnen dus compenseren voor dit verlies. probleem: He-atomen in de kern zijn in feite onzuiverheden die de Brehmsstraling verhogen.Je wil dus de He-atomen weg, en liefst niet te snel zodat ze toch nog hun energie kunnen afgeven.
-Door externe warmte toe te voegen. Hoe dit precies gebeurt is nogal technisch, o.a. via radiogolven.
Merk dus op dat de neutronen 4/5 van de energie vrijgekomen door de fusiereactie meekrijgen. Deze worden niet opgesloten door het magneetveld (ze zijn immers ongeladen). De neutronen bewegen naar de wand. Hier zullen ze hun energie afgeven in blankets. Deze worden dus opgewarmd, en de bedoeling is om later hiermee stoom te genereren, turbines aan te drijven, stroom op te wekken.
Nu wordt de Q-factor gedefinieerd als de verhouding van energie die de neutronen meevoeren uit de plasmakern tot de energie die de externe bronnen er in brengen. Theoretisch zou je dus vanaf Q=1 energie kunnen winnen. Dit punt wordt break-even genoemd, en is voorlopig nog niet bereikt. Merk op dat in de praktijk helemaal geen energie wordt gewonnen bij Q=1. Je verbruikt energie wanneer je de elektrische pulsen in het plasma induceert, je kan helemaal niet alle energie van de neutronen nuttig gaan gebruiken, je hebt allerlei meetsystemen draaien,... Een ander belangrijk punt is ontsteking, waarvan we zelfs niet hopen het in de nabije toekomst te bereiken. Bij ontsteking is de energie van de He-deeltjes voldoende om de energie in de plasmakern in evenwicht te houden, en is dus helemaal geen externe verwarming nodig. Bij dit punt geldt Q=
\(\infty\).
Een technologisch moeilijk punt is wat er zich juist aan de wand gaat afspelen. Merk op dat de beschieting met hoge-energie neutronen de wand radioactief zal maken. Bovendien zal via sputtering een deel van de wand in het plasma terechtkomen, wat weer een verhoging van de Brehmsstraling tot gevolg heeft. Bedenk daarnaast nog eens dat er enorme temperatuursgradiënten staan over de wand, en je zal begrijpen dat onderzoek naar het geschikte materiaal centraal staat in het fusiegebeuren.Nauw verbonden met de wand-problemen zijn zgn. "disruptions". Plots stopt het plasma en krijg je een immense warmteflux door de wand. Ook dit is zeer slecht voor de wand
Een ander technologisch punt is dat tritium,
\(^3H\), amper voorkomt in de natuur. We moeten dus in de wand tritium gaan kweken. Dit gebeurt o.a. via de reactie
\(^6Li+n \rightarrow 3H+^4He\)
Gevolg: we zijn actief bezig een radioactieve stof, tritium te maken. Het is niet zo erg als bij splijting, omdat bij fusie het tritium een grondstof is die wegreageert. Toch zal het onoverkomelijk zijn dat tritum weglekt.
Hiermee zijn m.i. de belangrijkste factoren in fusieonderzoek besproken, en kunnen we uitleggen wat ITER wil, en wat DEMO is.
De voornaamste doelstelling van ITER is het halen van Q=10 op tijdschalen die voor het plasma groot zijn. In JET heeft men Q=0.65 gehaald. Hoe groter de torus, hoe minder dat het systeem lekt in verhouding tot de inwendige energie. In ITER zal dit dus zeker beter zijn. Een belangrijke factor is de confinement time, die aangeeft hoe snel het plasma weglekt (hogere confinement time, trager weglekken). De gedane metingen en de verwachtingen op basis van berekeningen liggen als volgt:
Een uitdaging hierin ligt er ook in om steady-state werking te krijgen. Voorlopig kon fusie enkel gebeuren in pulsen, en had men niet het probleem dat He weg moest. In ITER is het de bedoeling dit wel te kunnen. Hierbij is het doel om Q=5 te halen.
Ten tweede moet de technologie in ITER getest worden. Ihb zal gekeken worden naar de kwaliteiten van de wand van de reactor. Ander belangrijk punt is remote handling. Het is niet evident om in zulke omgevingen de gewone apparatuur te gebruiken. Ook dit zal in ITER worden onderzocht.
Het derde hoofdpunt om te onderzoeken is het kweken van tritium.
Bemerk dus dat er nog heel wat zaken zijn die niet geweten zijn en die nog bewezen moeten worden. Zal Q=10? Zal de wand het goed doen? Het is dus naar deze belangrijke vragen dat de aandacht zal gaan. Ook zeer veel onderzoek gaat naar mogelijke diagnostieken in deze omgeving, anders zal dit experiment ons niet veel leren.
DEMO daarentegen heeft als doel om te bewijzen dat effectief energie gewonnen kan worden uit kernfusie, hierbij steunend op de technologie en kennis van het proces ontwikkeld in ITER. Men hoopt hierbij op een Q=30 in continue werking.
Een vraag die je kan stellen is waarom men niet onmiddellijk DEMO maakt als men nu toch al weet dat ITER te klein zal zijn om commercieel energie te maken. Een reden is dat Amerika zich heeft teruggetrokken uit de akkoorden zodat geld tekort was voor dit project. Op lange termijn zal dat geld natuurlijk gevonden worden, dus eigenlijk is deze reden absurd. Een tweede reden is dat het onderzoek naar de wand nog niet ver genoeg staat. Het zou in deze zin bijzonder moeilijk zijn om een reactor te bouwen die de parameters van DEMO aankan.
