Stichting FOM
28 januari 2009, 2009/06
Vacuüm-mijlpaal voor plasmaexperiment Magnum-PSI
Medewerkers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen
bereiken een belangrijke mijlpaal: met Magnum-PSI kunnen ze nu de
omstandigheden bij de wand van de toekomstige fusiereactor ITER
nabootsen.
Figuur 1. Magnum-PSI close-up
vergroten Figuur 1. Magnum-PSI close-up
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.
Foto: FOM-Instituut Rijnhuizen
Figuur 2. Magnum-PSI overzicht
vergroten Figuur 2. Magnum-PSI overzicht
In de experimentele opstelling Magnum-PSI kunnen wetenschappers
bekijken hoe mogelijke wandmaterialen voor fusie-installaties 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.
Foto: FOM-Instituut Rijnhuizen
De bouw van Magnum-PSI is een vernieuwend plasmawand-experiment, dat
vele mogelijkheden biedt. De wetenschappers kunnen ermee onderzoeken
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."
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.
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".
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 plasmawandonderzoek uit komen voeren. Ook
Amerikaanse groepen bij MIT en Oak Ridge hebben interesse."
"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 uit 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.
Voor meer informatie kunt u zich wenden tot: drs. Gieljan de Vries ,
afdeling voorlichting, FOM-Rijnhuizen, telefoon: +31 (0)30-609 69 02.