Vacuüm-mijlpaal voor plasmaexperiment Kennislink.nl, februari

Vacuüm-mijlpaal voor plasmaexperiment
Kennislink.nl, februari 2009
De experimentele kernfusiecentrale ITER zal in werking bloot komen te staan aan plasma met enorme
temperaturen in gigantische magneetvelden. Om de centrale zo te bouwen dat hij die omstandigheden
overleeft, wordt onderzoek gedaan naar de meest duurzame bouwmaterialen. Bij het Nederlandse FOM
Instituut Rijnhuizen wordt een opstelling gebouwd om materialen te testen - met écht plasma.
Medewerkers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen hebben een belangrijke mijlpaal bereikt in de bouw van een
vernieuwend plasma-wand experiment. In Magnum-PSI worden de omstandigheden nabij de wand van de toekomstige
fusiereactor ITER nagebootst. De wetenschappers onderzoeken zo hoe het materiaal van het reactorvat en het hete geïoniseerde
gas (plasma) op elkaar reageren. Onder leiding van Wim Koppers heeft het team nu het complexe vacuümsysteem voltooid. "We
willen met Magnum-PSI een serieuze bijdrage leveren aan het ontwerp van ITER", vertelt Koppers: "Ons experiment gaat unieke
gegevens leveren voor het ontwerp van de divertor, ITER's uitlaat voor het fusieproduct helium."
Extreme toestanden
In de vijftien meter lange opstelling Magnum-PSI heersen over een jaar extreme omstandigheden, vergelijkbaar met wat er
gebeurt bij de wand van een fusiecentrale. Een honderdduizendste van de atmosferische druk, een temperatuur tussen 10.000
en 70.000 graden en een magneetveld van 3 Tesla – 60.000 keer zo sterk als het aardmagneetveld en krachtiger dan in een
moderne MRI-scanner. Alles om wandmaterialen te testen die geschikt zijn voor gebruik in een fusiereactor en te bekijken hoe
plasma en wand op elkaar reageren. Wetenschappers zijn bijzonder geïnteresseerd welk materiaal geschikt is voor de divertor
van ITER. Een magneetveld houdt het miljoenen graden hete plasma overal in de reactor van de wand af, behalve bij de divertor,
de uitlaat waarlangs het fusieproduct helium de reactor verlaat. De divertor moet jarenlang hoge temperaturen en
deeltjesstromen verwerken zonder te beschadigen of het plasma te vervuilen met afgesleten materiaal. "Om die divertor goed te
ontwerpen kun je niet buiten een instrument als Magnum-PSI", denkt Koppers.
Close-up van het plasma-wandexperiment Magnum-PSI van FOM-Instituut Rijnhuizen. In de vijftien meter lange opstelling
wordt heet, geïoniseerd gas (plasma) op trefplaten van 60 bij 12 cm geschoten. Om de vrijkomende hitte af te voeren, gebruikt
Magnum-PSI een ingenieus koelsysteem. Buisjes met koelwater volstaan om het linkerdeel van de opstelling te koelen. De
intensere hitte in de targetruimte, rechts zichtbaar met de verschillende kijkopeningen voor instrumenten, wordt afgevoerd met
koelwater dat door de gecapitonneerde dubbele wand stroomt.
Bron: FOM Instituut Rijnhuizen
Magnum-PSI is een technisch hoogstandje: het vacuüm in het apparaat moet in stand blijven terwijl de onderzoekers er
tientallen liters gas per minuut inpompen. De plasmabron produceert 90% gas en 10% plasma. In drie vacuümkamers scheiden
zogeheten skimmers het gas van het plasma en drie sets van telkens drie gekoppelde pompen voeren per uur 54.000 m3 gas af.
Het plasma warmt de opstelling ook op met een vermogen van 300 kW. Om die hitte kwijt te raken is Magnum-PSI uitgerust
met een dubbele wand, waar koelwater doorheen stroomt. Promovendus Hans van Eck en senior research technicus Paul Smeets
ontwierpen een groot deel van de ingewikkelde machine. "De apparatuur gedraagt zich precies zoals we berekend hadden",
vertelt Van Eck. Ook Smeets is te spreken: "Het vacuüm is een erg belangrijk onderdeel van dit experiment zodat we erg blij en
trots
zijn
met
dit
resultaat".
Bombardement
Eenmaal in bedrijf kan Magnum-PSI uren achtereen de omstandigheden bij de wand van een fusiereactor nabootsen. Na
plasmabombardement gaat het onderzochte materiaal naar een experimenteerkamer in hetzelfde vacuümvat als de rest van de
opstelling. Zo zijn de testplaten van 60 x 12 cm te onderzoeken zonder invloed van de buitenlucht. FOM-Rijnhuizen werkt in het
project nauw samen met de TU Eindhoven en met partners in de Trilateral Euregio Cluster TEC. "Magnum-PSI is ook niet alleen
voor onszelf bedoeld", zegt Koppers: "wetenschappers uit de EU, zoals het team achter de grootste bestaande fusiereactor JET
bij Oxford, willen hier plasma-wand onderzoek uit komen voeren. Ook Amerikaanse groepen bij MIT en Oak Ridge hebben
interesse."
In de experimentele opstelling Magnum-PSI kunnen wetenschappers bekijken hoe mogelijke wandmaterialen voor fusieinstallaties reageren op blootstelling aan heet plasma. In de witte experimenteerkamer heerst een beter vacuüm dan in de rest
van Magnum-PSI. Hier kunnen met plasma beschoten testmaterialen worden onderzocht, zonder ze bloot te hoeven stellen aan
de buitenlucht. De houten ombouw geeft aan waar halverwege 2009 de supergeleidende magneten worden geplaatst, die het
plasma uit de bron in een 10 cm brede bundel dwingen.
Bron: FOM Instituut Rijnhuizen
"Er komen dit jaar nog een paar hoogtepunten", kondigt Koppers aan: "De supergeleidende magneet wordt geleverd, we
plaatsen de wetenschappelijke instrumenten en de plasmabron in het vacuümvat – maar nu we de pompen, koeling en
vacuümvat gereed hebben, zijn we een flink eind op weg".
Energie en fusie
Bij kernfusie smelten waterstofkernen (deuterium en tritium) bij hoge temperatuur samen tot helium en komt enorme hitte vrij,
genoeg om een elektriciteitscentrale aan te drijven zonder uitstoot van gevaarlijk of milieuvervuilend afval. Aan de installatie
ITER (‘de weg’ – Latijn) in Cadarache, Zuid-Frankrijk, draagt de halve wereld apparatuur en kennis bij: de partners zijn de EU,
de Russische Federatie en V.S., India, Zuid-Korea, Japan en China. ITER gaat over tien jaar in bedrijf en wekt dan 500 MW
thermisch vermogen op, tien keer meer dan de 50 MW die de installatie zelf verbruikt. Nederlands fusieonderzoek is
geconcentreerd bij FOM-Instituut Rijnhuizen. In Europees verband wordt fusie-R&D gecoördineerd via EURATOM, waar
Stichting FOM in participeert. Om bedrijven voor te bereiden op opdrachten van de ITER-organisatie werkt FOM-Rijnhuizen
samen
met
TNO
en
NRG
in
het
consortium
ITER-NL.