Fysici lossen kernfusieprobleem op dat jarenlang niet verklaard kon worden

Wetenschappers proberen het proces dat onze zon aandrijft al decennialang na te bootsen op aarde. En hoewel dat steeds beter lukt, blijven er verrassende raadsels opduiken. Één zo'n raadsel is nu eindelijk opgelost en dat is goed nieuws voor de ontwerpers van toekomstige fusiereactoren.

Kernfusie is het proces waarbij twee lichte atoomkernen samensmelten tot een enkele zwaardere kern. Daarbij komt een grote hoeveelheid energie vrij. In de zon gebeurt dit door de enorme druk die de zwaartekracht in de kern veroorzaakt. Die zwaartekracht kunnen we op aarde niet nabootsen, dus moet waterstofgas in reactoren verhit worden tot veel hogere temperaturen dan die in de kern van de zon.

Het snikhete plasma dat zo ontstaat, moet je zien op te sluiten, maar geen enkel materiaal kan zulke temperaturen aan. Daarom gebruiken wetenschappers supersterke magnetische velden. De meest gebruikte opstelling heet een tokamak: een grote, donutvormige machine waarin het plasma rondraast in een reactiekamer.

Scheve verdeling

Hoe goed die magnetische kooi ook werkt, er ontsnappen altijd deeltjes uit het plasma. Die belanden uiteindelijk bij het uitlaatsysteem van de tokamak, de zogenoemde divertor. Daar raken de deeltjes metalen platen, waarna ze terugkaatsen. Dat is nuttig, want die terugkerende atomen helpen om de fusiereactie gaande te houden.

Maar hier zat het probleem. Wetenschappers zagen keer op keer dat er veel meer deeltjes aan de binnenkant van de divertor terechtkwamen dan aan de buitenkant. Wie een fusiereactor wil bouwen die decennialang meegaat, moet precies weten waar de hitte en de deeltjes terechtkomen. Anders slijt het uitlaatsysteem op de verkeerde plek.

De gangbare verklaring was dat deeltjes zijwaarts afwijken door het magnetisch veld. Maar wanneer wetenschappers dat in hun computersimulaties probeerden na te bootsen, kwam het resultaat niet overeen met de werkelijkheid. Niemand wist precies waarom.

Het ontbrekende puzzelstukje

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory in de VS hebben nu ontdekt wat er miste. Naast die zijwaartse drift speelt de rotatie van het plasma een cruciale rol. Het plasma in een tokamak staat namelijk niet stil: het draait als een razende rond in de donut, met snelheden tot bijna 90 kilometer per seconde.

Die rotatie duwt deeltjes aan de rand van het plasma in een bepaalde richting, waardoor er meer bij de binnenkant van de divertor terechtkomen. Rotatie alleen is niet genoeg om het verschil te verklaren en drift alleen evenmin. Maar de combinatie van de twee verklaart het patroon wel.

Met deze kennis kunnen ingenieurs veel beter voorspellen waar deeltjes in toekomstige machines terechtkomen en het uitlaatsysteem daarop aanpassen. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het vakblad Physical Review Letters.