Stijldefinities
De Stellarator
Wendelstein 7-X
17 december 2015
Eindelijk, de Duitsers, na 19 lange jaren, hebben de montage voltooid van dit ware technologische nachtmerrie, een stellarator. Begin december heeft deze machine haar eerste plasma geproduceerd, decennia vóór ITER. Natuurlijk zijn de mensen die mijn website bezoeken me overladen met vragen over deze machine.
Het heeft 19 jaar gekost voordat dit project tot stand kwam en een miljoen uur werk. Het bevat 20 vlakke spoelen en 50 niet-vlakke spoelen. Waarom die onderscheid? Als je een sterk magnetisch veld in deze spoelen wilt creëren, moet er een zeer sterke stroom doorheen lopen, die twaalfduizend ampère kan bereiken. Maar wanneer een sterke stroom door een spoel loopt, wordt deze onderworpen aan centrifugale krachten die ervoor zorgen dat de spoel een cirkelvormige vorm krijgt. In dat geval kunnen deze krachten leiden tot het breken van de spoel. De Duitse stellarator heeft een zeer ingewikkelde geometrie.
Daarom was het nodig om spoelen te ontwerpen die niet alleen cirkelvormig, maar ook gekromd zijn:
Waarom zo'n ingewikkelde geometrie? Als je de vijf video's bekijkt die ik op YouTube heb geplaatst, worden de principes van tokamaks uitgelegd. Ze zijn gebaseerd op een idee uit de kou, ontwikkeld door Andrei Sakharov en Artsimovitch. Als je een toroïdale kamer uitrust met regelmatig verdeelde circulaire spoelen, is het magnetisch veld sterker in de buurt van de as van de machine, waar de spoelen het dichtst bij elkaar liggen. Plasma heeft de neiging om naar gebieden te gaan waar het magnetisch veld minimaal is, waardoor het magnetisch veld het plasma in de kamer naar buiten wil duwen. De tokamak is een eerste oplossing. Door een solenoïde langs de as van de machine te plaatsen, die een langzaam stijgend veld creëert (dat op ITER 13 tesla zal bereiken), waardoor de testkamer wordt doordrenkt, ontstaat er een geïnduceerde stroom die circulair in het plasma loopt. Deze stroom creëert zelf een veld, het zogenaamde poloidale veld, dat zich combineert met het veld van de spoelen rond de kamer. Het resultaat zijn spiraalvormige veldlijnen.
Omdat geladen deeltjes zelf ook willen spiraalvormig om de magnetische veldlijnen draaien, volgen ze deze lijnen. Hierdoor blijft het plasma in het midden van de kamer. De andere oplossing, voorgesteld door de Amerikaan Lyman Spitzer in de jaren vijftig, is een stellarator. De machine Wendelstein X-7 is een stellarator:
In geel is de kamer van de machine, in blauw de vele spoelen. Bij de ontwerpperiode van de Duitse stellarator zijn er veel computerberekeningen uitgevoerd om de vorm van de kamer en het ontwerp van de spoelen te optimaliseren. Alles heeft een enorme hoeveelheid werk en een miljoen uur werk gekost.
Waarom kiezen voor een stellarator in plaats van een tokamak? Bij een tokamak (en ook bij ITER) is het grote probleem de mogelijkheid van disrupties. Binnen de kamer kan de "plasmastroom" (15 miljoen ampère voor ITER) op een beeldende manier worden voorgesteld als een slang die zichzelf bijt. Zeer schematisch kan een disruptie worden vergeleken met het breken van de manier waarop deze stroom zich ophoopt. Dan laat de slang zijn staart los en gaat hij "de wand bijten". Bij ITER wordt deze "bijt" geschat op 11 miljoen ampère.
Oorzaak: MHD-turbulentie. Bovendien gaat deze vervorming van het magnetisch veld gepaard met graden die op hun beurt de geladen deeltjes, vooral elektronen, versnellen. Deze elektronen bereiken relativistische snelheden, dicht bij de lichtsnelheid, en krijgen zeer hoge energie. Vanaf een bepaalde snelheid interageren ze praktisch niet meer met ionen. Ze worden dan "gedeconnecteerde elektronen" genoemd. Maar door een "avalanche-effect" versnellen ze andere elektronen. Er is een vermenigvuldigende werking, aanzienlijk op ITER.
Bij een stellarator bestaan deze fenomenen niet. Dat wil niet zeggen dat andere onstabiele toestanden niet kunnen optreden. Alleen experimenten zullen hierop antwoord geven. Al een halve eeuw hebben plasma-machines te veel onaangename verrassingen gebracht om niet stap voor stap vooruit te gaan.
De Duitse machine heeft een magnetiseringsysteem waarbij het veld 3 tesla bereikt. Het microgolfverwarmingssysteem is bedoeld om 10 tot 50 seconden te werken. Een systeem voor neutrale injectie levert een energie-invoer van 8 megawatt. Met dit apparaat hopen de onderzoekers het plasma in de kamer te brengen met een dichtheid van 3 × 10²⁰ kernen per kubieke meter en een temperatuur van 60 tot 120 miljoen graden.
De Duitse stellarator zal geen autonoom fusieplasma kunnen produceren, waarbij de energie uit de fusie voldoende is om de temperatuur van het plasma op een voldoende niveau te houden. Met deze machines proberen we de "nucleaire vuur" te ontsteken. Je kunt dit vergelijken met het proberen om "een beetje vochtig hout" aan te steken met stukken hout van een krat of een "aanstekerapparaat". Zolang het vochtige hout brandt, draagt het bij aan het exo-energetische proces. Als de droge stukken hout of de aansteker op zijn, zijn er twee mogelijkheden. Ofwel de verbranding van het vochtige hout geeft voldoende warmte om het vuur zelfvoedend te houden, ofwel is de afgegeven energie onvoldoende en dooft het vuur uit, en moet je opnieuw beginnen met een nieuwe aansteker.
Geen enkele plasma-machine ter wereld heeft tot nu toe dergelijke omstandigheden kunnen creëren. De meest geavanceerde: JET heeft de Q-waarde (geïnjecteerde energie / geproduceerde energie) tot 0,6 weten te verhogen. Het doel van ITER was een Q-waarde boven 1 te bereiken. Tegelijkertijd hebben we geen idee hoe een plotselinge zelfvoedende fusieplasma zich zou gedragen. Zoals altijd bij dit soort onderwerpen is het erg moeilijk om theoretische voorspellingen te doen.
De Duitse stellarator heeft een kostenpost die evenredig is aan haar complexiteit. Ik denk dat de uitgaven een miljard euro bedragen. Maar het is een project dat rijp is. De machine is gebouwd, de magnetiseringsapparatuur werkt, en begin december hebben de onderzoekers hun eerste plasma verkregen. De volgende stap is het verhogen van de energie-invoer, zoals bij tokamaks via microgolven en neutrale injectie. Dit zijn technieken die beheerst zijn. De eerste vraag is: "Biedt deze machine de verwachte prestaties in termen van plasmaconfinement?" Er lijkt een positief begin te zijn geboekt.
Vertegenwoordigt de stellarator een oplossing voor energieproductie via fusie? Het is nog te vroeg om dat te zeggen. Maar zijn kosten zijn 16 keer lager dan die van ITER. De machine heeft een enorme voorsprong op dit farao-achtige project: hij werkt, en de onderzoekers hoeven zich geen zorgen te maken over onmiddellijke schade door een disruptie, wat niet het geval is bij ITER.
Deze risico's hebben het project ITER ernstig gehinderd. Als je kijkt naar de manier waarop ITER is ontworpen, kan elk vervangen onderdeel een onoplosbaar probleem vormen. De onderdelen die het meest gevaarlijk zijn voor disrupties zijn de onderdelen van de "divertor".
De eerste afbeelding laat de grootte van het onderdeel zien in vergelijking met de schaal van de hele machine. Er is een video waarin te zien is hoe technici zich moeten inspannen om de onderdelen te plaatsen. Het vervangen zal net zo problematisch zijn. Zie:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
Tegelijkertijd neemt het risico op disruptie toe naarmate de energie die uit het plasma wordt geëxtraheerd groter wordt.
De Duitse stellarator is een onderzoeksapparaat zonder enige pretentie om een voorspelling te zijn van een fusie-energiegenerator. In dat opzicht is het een interessant project, dat in een rationele lijn ligt. Het project ITER was vanaf het begin farao-achtig. De technische en wetenschappelijke problemen die zouden kunnen ontstaan, zijn ernstig onderschat.
In Frankrijk hebben we geen stellarator, zelfs niet in laboratoria. Persoonlijk heb ik voorgesteld om een "drieklauw"-configuratie te testen, die ook een spiraalvormige omsluiting van de magnetische veldlijnen vertegenwoordigt, maar waarbij deze vorm kan worden gecreëerd met circulaire spoelen.
Maar deze kamer is gebouwd rond een "ziel" waarvan de vergelijking is:
x = Cos t + 2 Cos 2t
y = sin t - 2 sin 2t
z = 2 sin 3t
In een rechte, circulaire doorsnede draait het punt van maximale veldsterkte 270° per omwenteling, wat misschien voldoende is om een homogeen plasma te garanderen. Het feit dat de spoelen circulair zijn, zou het mogelijk maken om het veld tot 10 tesla te verhogen (het nominale veld in de ITER-kamer is 11,8 tesla).
Maar alle pogingen om, zelfs maar een kleine prototype van 50 cm in een gespecialiseerd laboratorium te bouwen, zijn tot dusver in het niets verdwenen. Het is opvallend dat de afdeling van het CNRS die plasmaonderzoek beheert, schreef dat deze studies zich beperkten tot twee mogelijke richtingen:
- ITER
- Mégajoule
Ter informatie: de resultaten van de grote broer van Mégajoule, de Amerikaanse NIF (National Ignition Facility), waren uiterst teleurstellend. De hoop om fusie met laser te bestuderen via het Mégajoule-bankapparaat is dus ook een illusie. De Amerikaanse installatie heeft 192 lasers met neodymium-geactiveerd glas, de Franse machine heeft 176. Ondanks het falen van de NIF zal het Franse project voltooid worden.
Terzijde: waarom dit falen?
Vanaf de jaren zeventig, dankzij een ultra-geheim onderzoeksproject genaamd Centurion Halite, wisten de Amerikanen dat voor het comprimeren van een bol van deuterium-tritium tot fusie een energie-invoer van 10 tot 20 megajoule nodig was. De NIF kon echter slechts 0,18 megajoule op die druppel concentreren, wat een energie is die 55 keer lager is. Hoewel de lasers 1,8 megajoule energie produceerden, werd 80 tot 90% van die energie besteed aan het verwarmen van het goud waaruit die mini-oven bestond.
De mini-oven, van goud, met de doelwit
De fractie van de energie die daadwerkelijk op het doelwit terechtkomt.
Het was uitgesloten om vijftig keer zoveel lasers te gebruiken. De theorieën van het project, met John Nulholls aan het hoofd, bedachten toen een andere aanpak: niet op een druppel, maar op een laagje D-T dat was afgezet op de binnenkant van een minuscule ampul. Het risico was dat de compressie slecht zou verlopen door de instabiliteit van Raleigh-Taylor, die optreedt wanneer een vloeistof druk uitoefent op een andere. Dit kan eenvoudig worden geïllustreerd door te kijken naar wat er gebeurt wanneer een dichtere vloeistof druk uitoefent op een andere vloeistof onder zich:
De instabiliteit van Raleigh-Taylor
Nulholls, vertrouwend op voorspellingen uit zijn numerieke simulaties, stelde dat deze instabiliteit slechts een geringe invloed zou hebben op het resultaat van het experiment. Volgens hem zou fusie al bij de eerste pogingen (in 2012) worden bereikt, en zou het werk van de experimentatoren zich beperken tot het aanpassen van de simulaties aan de experimentele gegevens. Maar de testcampagne eindigde in een volledig falen. De metingen toonden aan dat de instabiliteit van Raleigh-Taylor volledig doorkliefde.
Hoe kan dit worden aangetoond? Eenvoudig door sporen van atomen