Stichting FOM

16 september 2009, 2009/31

Magnetisch eiland reflecteert microgolven

Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen hebben een nieuw verschijnsel in fusiereactoren ontdekt. Samen met collega's uit Denemarken en Duitsland zagen ze dat ronddraaiende verstoringen in het hete centrum van een fusiereactor microgolven kunnen reflecteren. Deze microgolven worden veel gebruikt om de roterende verstoringen onder controle te krijgen. De wetenschappers publiceerden hun resultaten 15 september 2009 in het tijdschrift Physical Review Letters.
Figuur 1. Magnetisch eiland reflecteert microgolven (credit: PRL / FOM-Rijnhuizen)
vergroten Figuur 1. Magnetisch eiland reflecteert microgolven (credit: PRL / FOM-Rijnhuizen)

Microgolven die door een oneffenheid (magnetisch eiland) in het plasma van een tokamak-reactor worden weerkaatst. Van links naar rechts is telkens te zien wanneer het eiland langskomt op zijn cirkelbaan door de tokamak. Verticaal zijn verschillende golflengtes van de weerkaatste straling te zien; de kleur geeft telkens de intensiteit aan. De verticale zwarte lijnen geven aan waar het dikste punt (het O-punt) van het eiland zich bevindt.

Figuur 2. Experimentele opstelling (credit: PRL / FOM-Rijnhuizen) vergroten Figuur 2. Experimentele opstelling (credit: PRL / FOM-Rijnhuizen)
Schematische tekening van de experimentele opstelling in het onderzoek. Het gyrotron produceert een bundel microgolven, die deels weerkaatsen aan het dikste deel van het magnetische eiland in het plasma. Het weerkaatste signaal wordt opgevangen met een CTS-sensor (collective Thomson scattering).

Om in de toekomst kernfusie als schone, veilige en vrijwel onuitputtelijke energiebron in te kunnen zetten, moet de fusiebrandstof worden verhit tot honderden miljoenen graden Celsius. Het hete, geladen gas (plasma) zweeft binnenin de installatie in een sterk, ringvormig magneetveld zodat het niet in contact komt met de wand van de fusiereactor of tokamak. Allerlei oneffenheden in het plasma beïnvloeden hoe goed die opsluiting werkt.

In een veelvoorkomend type verstoring snoert een deel van het magneetveld zich af en draait snel rond in de reactor. Zo'n magnetisch eiland kan groeien en, als het te groot wordt, de hele magnetische opsluiting teniet doen. Er wordt daarom veel onderzoek gedaan naar het gedrag en de controle van magnetische eilanden.

Eiland-beheersing met microgolven
Een veelgebruikte methode om magnetische eilanden in bedwang te houden is ze op precies het juiste punt te verhitten met microgolven (magnetronstraling). Tijdens experimenten met een nieuw, Nederlands apparaat op de Duitse fusiereactor TEXTOR ontdekten de Rijnhuizenonderzoekers een nog onbekend verschijnsel: onder bepaalde omstandigheden reflecteren de eilanden een deel van de microgolven.

Met relatief kleine aanpassingen aan de meetapparatuur konden de omstandigheden waarbij het verschijnsel optreedt goed in kaart worden gebracht. Dit is behalve voor fundamenteel begrip van de wisselwerking tussen plasma en microgolven ook belangrijk voor metingen bij fusie-experimenten over de hele wereld. Op veel van deze experimenten worden namelijk de zwakke microgolven die het plasma zélf uitzendt gemeten. Door reflecties van de miljarden malen sterkere verhittingsgolven kan deze gevoelige meetapparatuur verblind worden.

Toekomstig onderzoek voor fusie-experiment ITER Uit de nieuwe metingen blijkt dat alleen het dikke middenstuk van de eilanden de golven weerkaatst. Het verschijnsel is nu waargenomen bij één type van magnetische eilanden, in één specifieke tokamak. Volgens de metingen hangt de microgolfreflectie sterk af van het verhittingsvermogen en van de plasmadichtheid. Of het effect ook kan optreden in het internationale fusie-experiment ITER is nog onduidelijk. De dichtheid wordt daar minstens drie keer zo hoog als in TEXTOR en ook het totale vermogen en de vermogensdichtheid van de microgolven zijn anders dan in TEXTOR. Om het verschijnsel beter in kaart te brengen, zijn verdere experimenten gepland in de Duitse tokamak Asdex Upgrade. Dat zal helpen uitwijzen of in het ITER-ontwerp rekening moet worden gehouden met de weerkaatsing van microgolfbundels.

Referentie
Strong Scattering of High Power Millimeter Waves in Tokamak Plasmas with Tearing Modes, Phys. Rev. Lett. 103, 125001 (2009) URL: http://link.aps.org/abstract/PRL/v103/e125001 DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.125001

Meer informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met: Dr. Egbert Westerhof, Senior Scientist, Tokamak Physics-groep, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, telefoon (0)30 609 69 54. Dr. Marco de Baar, werkgroepleider, Tokamak Physics-groep, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, telefoon (0)30 609 69 01. Gieljan de Vries, Hoofd publieksvoorlichting, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, telefoon (0)30 609 69 02.


Meer informatie Contactperso(o)n(en): Melissa Vianen