Kernfusie met een twist

De ogen van Ralf Mackenbach stralen wanneer hij over de zon praat. Voor de natuurkundige omhelst die meer dan vakantie, vrijheid en het goede leven – natuurlijk, ook allemaal fijn – maar hoe komt de grote gele bal aan haar energie? Geduldig legt hij de grondbeginselen van kernfusie uit.

“De zon heeft een gigantische massa en kan door de immense zwaartekracht in de kern alles samendrukken en verwarmen tot zo’n 15 miljoen graden Celsius. Bij deze omstandigheden kunnen onder andere waterstofatomen samensmelten tot nieuw elementen; een proces waar enorm veel energie en warmte bij vrij komt. De zon doet al miljarden jaren aan kernfusie. Maar bij het nabootsen van dit energieproces op aarde vallen we van de ene uitdaging in de andere.”

Gewokkelde donut

Want er zijn drie belangrijke criteria nodig om een ‘zon in een doos’ te realiseren. Mackenbach somt op: veel deeltjes dicht bij elkaar, heet genoeg, isolerend genoeg. Momenteel worden er verschillende types kernfusiereactoren ontwikkeld – twee belangrijke daarvan zijn de zogenoemde tokamak en stellarator – waarin de temperatuur kan oplopen tot 150 miljoen graden Celcius.

Maar wat is er langdurig bestand tegen zulke hitte? We werken met gigantisch sterke magneetvelden, legt Mackenbach uit. “De deeltjes in het hete plasma kunnen door deze magneetvelden bij elkaar gehouden worden. Ze moeten daarvoor wel een speciale vorm hebben, namelijk een soort donut zoals duidelijk zichtbaar bij de tokamak. De magneetvelden van de stellarator hebben een complexere vorm, meer een gewokkelde donut.”

Mackenbach toont de ring die hij aan een ketting om zijn hals heeft hangen. “Wendelstein 7-X op schaal, de grootste kernfusiereactor van het type stellarator die in het Max Planckinstituut voor Plasmafysica in het Duitse Greifswald staat. Tijdens mijn promotietraject ben ik daar elk jaar zo’n drie maanden geweest.”

Met een knipoog: “Zo draag ik mijn onderzoek altijd bij me. En heel handig om vrienden die niet in het veld zitten uit te leggen wat ik doe. Een term als ‘gewokkelde donut’ wordt zo een stuk inzichtelijker.”  

Thee met melk

Met magnetische velden in een juiste vorm kan de fuserende brandstof dus in de reactor opgesloten blijven. Maar omdat plasma nogal grillig van aard is, brengt dit de nodige uitdagingen met zich mee. Zo is er sprake van een enorm temperatuurverschil. 

Waar het in het centrum van de donut is 150 miljoen graden Celsius is, werken de supergeleidende spoelen die daar omheen zitten bij een paar graden boven het nulpunt. Gevolg is dat er wervelingen ontstaan die de temperaturen gelijk proberen te trekken.

Mackenbach vergelijkt het met een hete kop thee waarin je koude melk giet. “Natuurkunde in de praktijk. Maar waar je door de wervelingen in je thee juist een gewenst gemixt geheel krijgt, willen we deze turbulentie in een kernfusiereactor juist minimaliseren om afkoeling te vermijden.”

Krachtig model

Om te weten aan welke knoppen je moet draaien om zo min mogelijk turbulentie te krijgen, moet je wel eerst die wervelingen voor elke situatie kunnen beschrijven. Mackenbach en zijn collega’s ontwikkelden daarvoor een wiskundig model met een onconventionele insteek.

Opvallend is dat hij niet uitrekent hoe het plasma zich op een gegeven moment gedraagt en hoe de turbulentie er dan uitziet, maar alleen kijkt naar pakketjes energie. “Wat we eigenlijk doen is dat we bepalen hoe veel energie we in het begin aan het plasma onder een aantal minimale voorwaarden kunnen onttrekken. Deze hoeveelheid ‘beschikbare energie’ zou dan iets kunnen zeggen over de  hoeveelheid energie die in de turbulentie kan zitten.”

De op het oog simpele theorie werd eerst door Mackenbach met weinig meer dan pen, papier, en in een later stadium een eenvoudige laptop, uitgewerkt. In Greifswald onderzocht hij met supercomputers of zijn model onder verschillende condities standhoudt.

“Er bestond al een model waarin deze beschikbare energie uitgerekend kon worden in hele speciale reactoren. Onze eerste stap was het model uit te breiden naar elke willekeurige reactor. Vooral de stellaratoren hebben veel meer vrijheden qua vorm: waar zit de twist, onder welke hoek, hoeveel buigpunten? We zien dat de beschikbare energie in zowel de tokamak als stellarator een goede graadmeter voor de voorspelling van turbulentie kan zijn. Zo’n simpel model snijdt voor mij heel dicht tegen de wetten van de natuurkunde aan, waarin je met zo min mogelijk aannames zoveel mogelijk probeert uit te leggen.”

Nieuwe deuren openen

Om de wervelingen in het fusiemateriaal te minimaliseren is er volgens Mackenbach nog veel vervolgonderzoek nodig. Als theoreticus zal hij ook niet zelf bij de spreekwoordelijke knoppen te vinden zijn; hij benadrukt het belang van teamwerk.

“Onderlinge samenwerking is essentieel, de beste ideeën ontstaan door kruisbestuiving. Ik heb geleerd dat wetenschap heel sociaal kan zijn, zelfs voor natuurkundigen.” Maar het kunnen voorspellen van wervelingen opent volgens Mackenbach wel weer nieuwe deuren in deze zoektocht.

Blijft hij hier bij betrokken? Zelf kijkt hij liever niet langer dan een jaar of twee vooruit – ook zijn persoonlijke leven kende eerder turbulente tijden toen hij de overwinning voor Nederland bij het Junior Songfestival binnen tapte. “Muziek zal altijd een onderdeel van mijn leven zijn, maar voor nu heb ik mijn draai als natuurkundige helemaal gevonden.”

Hij grijpt even naar zijn ketting. “Binnenkort verhuis ik naar Zwitserland om daar mijn model verder te verfijnen, een mooie uitdaging om fusie-energie weer een kleine stap dichterbij te brengen.”