Plasma-experiment Magnum-PSI onderzoekt wandmateriaal voor ITER

11 oktober 2011
Het nieuwe experiment Magnum-PSI van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen produceerde 4 oktober zijn eerste gemagnetiseerde plasmabundel. Magnum-PSI is de eerste faciliteit die materialen bloot kan stellen aan plasma (heet, geïoniseerd gas) onder identieke omstandigheden als in de toekomstige fusiereactor ITER. Het experiment haalt nu al vermogens van 8 megawatt per vierkante meter, vergelijkbaar met de wandbelasting in ITER. Het onderzoek in Magnum-PSI helpt wandmaterialen te ontwerpen die beter bestand zijn voor het hete, intense plasma in de fusiereactor.

Download een high-res foto van Magnum-PSI en een clip van de eerste plasmabundel

Zij-aanzicht van de 15 meter lange opstelling Magnum-PSI. Uiterst links de plasmabron: een cascadeboog produceert geïoniseerd gas van waterstof, deuterium of argon. De verticale buizen geleiden lasers die via Thomsonverstrooiing de dichtheid en temperatuur van het plasma meten. In het midden van de foto wordt de trefplaat blootgesteld aan het plasma. Uiterst rechts de witte target exchange and analysis chamber, een vacuümkamer voor materiaalonderzoek zonder verontreiniging door de lucht. De magneten die het plasma uit de bron bundelen zijn hier nog niet aangebracht.
foto: Bram Lamers

Wetenschappers willen kernfusie, de energiebron van de zon, op aarde inzetten als schone, duurzame energiebron. Tijdens kernfusie versmelten lichte atoomkernen tot zwaardere en komen grote hoeveelheden energie vrij. De wereldwijde samenwerking aan fusie-energie richt zich nu op de bouw van de geavanceerde reactor ITER in Zuid-Frankrijk. Die moet vanaf 2019 de technische haalbaarheid aantonen van fusie als energiebron. ITER produceert een vermogen van 500 megawatt, tien keer méér dan de machine zelf nodig heeft en evenveel als een kleine energiecentrale. Het experiment maakt de weg vrij voor een demonstratiereactor in 2040 (DEMO), die 1000 à 2000 megawatt opwekt – evenveel als een grote energiecentrale.

Wisselwerking tussen heet plasma en reactorwand

Magnum-PSI is speciaal ontworpen om de wisselwerking tussen het plasma en reactorwand in ITER in detail te onderzoeken. In een fusiereactor wordt het reactieproduct helium afgevoerd via een speciaal wandonderdeel, de divertor. Het plasma heeft daar een temperatuur van tienduizenden graden en de aanstormende geladen deeltjes kunnen de reactorwand laten beschadigen. De mate waarin hangt sterk af van de precieze omstandigheden zoals de temperatuur, deeltjesenergie, plasmadichtheid en het aanwezige magneetveld.

Magnum-PSI bootst als eerste faciliteit ter wereld de omstandigheden na die heersen in ITER. Een cascadeboog plasmabron levert dicht, heet plasma, dat door magneten wordt gebundeld en naar een trefplaat geleid. Het experiment heeft ook een uitgebreide serie meetsystemen om plasma en testmateriaal te analyseren.

Een van de eerste plasmabundels in Magnum-PSI, een waterstofplasma onder een magneetveld van 1.4 Tesla. Op de achtergrond zijn de grote roots-pompen te horen die de machine op de ITER-achtergronddruk van minder dan 1 Pascal houden.

ITER-relevant

Dr. Pedro Zeijlmans van Emmichoven geeft leiding aan het operations-team dat Magnum-PSI heeft ontworpen en gebouwd en nu bedrijfsklaar maakt. "De dichtheid, intensiteit, temperatuur, het magneetveld – alles zit in het ITER-relevante regime. We breken hier records! De condities die we hier halen zijn meer dan tien keer zo intens als in andere laboratoria."

Onderzoeksvragen

Magnum-PSI kan de wisselwerking van plasma en reactorwand in ITER tot in detail onderzoeken. Met de faciliteit wil Rijnhuizen strategieën ontwikkelen om de levensduur van de ITER-wand te vergroten. Zo analyseert het instituut beschadigingen van wandmateriaal en bekijkt het hoe het plasma reageert op vervuiling als wandmateriaal afslijt en in het plasma terecht komt. In een ander project onderzoekt Rijnhuizen manieren om ongewenste ophoping van de fusiebrandstof tritium in de wand tegen te gaan.

Rijnhuizen-directeur prof.dr.ir. Richard van de Sanden is trots op de eerste gemagnetiseerde plasmabundels in de nieuwe opstelling. Hij kijkt vooruit naar de onderzoeksfase: "Niemand heeft ooit gezien wat er bij zulke intense omstandigheden met een reactorwand gebeurt. Met Magnum kunnen we dat voor het eerst in een laboratorium onderzoeken."

Toekomst van Magnum-PSI

Na de productie van de eerste plasmabundels wordt Magnum-PSI nu verder bedrijfsklaar gemaakt. Wetenschappelijke plasma-wand-experimenten starten begin 2012. In de toekomst wordt de faciliteit uitgebreid met een supergeleidende magneet. Die zal het plasma uren in stand houden, voor onderzoek naar langdurige blootstelling van wandmateriaal aan het plasma.

Meer weten

Details over Magnum-PSI op de groepspagina PSI Operations