Tokamak

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Het binnenste van de Tokamak à configuration variable. Afmetingen: Hoogte 1,40 m, grootste diameter 0,875 m.

Een tokamak is een torusvormig apparaat waarin een plasma kan worden beheerst met behulp van sterke magnetische velden. Tokamaks worden gebruikt om kernfusie te bestuderen, met als uiteindelijke doel een economisch rendabele energiebron. (Kernfusie is inmiddels wel gelukt, economisch rendabel is het nog niet.) De naam is een samentrekking van de Russische woorden toroidalnaja, kamera, magnitnaja en katoesjka die respectievelijk torusvormig, ruimte, magnetisch en spoelen betekenen. Tokamak in het Nederlands is dus zoiets als toroïdale ruimte, magnetisch door spoelen. Het apparaat is in 1950 ontworpen door Igor Tamm en Andrej Sacharov. De tokamak is op het moment de meest gevorderde technologie op weg naar het bereiken van rendabele kernfusie.

Principe[bewerken]

Het verschil tussen kernreacties en chemische reacties is dat bij chemische reacties elektronen betrokken zijn, terwijl bij kernreacties de protonen en neutronen van de atoomkern betrokken zijn. Evenals bij chemische reacties kan bij nucleaire reacties energie opgenomen of afgegeven worden. Om bij fusiereacties energie te doen vrijkomen moeten er kleinere, minder stabiele kernen, bijeengebracht worden om een stabielere kern te verkrijgen. De energie ontstaat door het verschil in bindingsenergie van de kern na de fusie en de kernen voor de fusie. Er worden geen deeltjes gecreëerd of vernietigd. De bindingsenergie van de deeltjes voor de fusie is groter dan deze van het deeltje na de fusie. Het is dit verschil dat vrijkomt tijdens fusie en wel via de fameuze formule van Einstein: E = mc^2 waarin m het massaverschil is tussen de deeltjes voor en na de reactie en c de lichtsnelheid. Hierbij wordt dus inwendige energie meetbaar als massa, omgezet in uitwendige energie.

Probleem bij kernfusie[bewerken]

Een probleem bij kernfusie is de extreem hoge temperatuur (ca. 10 miljoen K) die ervoor nodig is. Geen enkel materiaal is daartegen bestand. Een eenvoudig reactievat is dan ook ongeschikt. Bij een natuurlijke fusiereactor - een ster - wordt het hete plasma bijeengehouden door de zwaartekracht, maar een ster moet daarvoor zeer groot zijn. Bij een kunstmatige fusiereactor wordt het hete plasma door een sterk magnetisch veld op z'n plaats gehouden. Dat kan alleen als de reactor de vorm van een torus heeft - een tokamak dus. Door het magnetisch veld komt het plasma niet in contact met de wand van de reactor, wat twee problemen oplost:

  • Het plasma wordt niet afgekoeld door de veel koudere wand.
  • De wand wordt niet beschadigd door het hete plasma.

Een belangrijk gedeelte van het magnetische veld komt tot stand door een elektrische stroom in het plasma, die wordt opgewekt door het plasma te gebruiken als de secundaire spoel van een transformator. Deze stroom kan daardoor maar een beperkte tijd in stand worden gehouden. Een ander deel van het magneetveld wordt echter bij sommige tokamaks opgewekt door supergeleidende elektromagneten die alleen werken bij een zeer lage temperatuur. In een dergelijke tokamak komen dus de koudste en de heetste plekken op aarde vlak naast elkaar voor. Om te voorkomen dat een kernfusiecentrale die een tokamak gebruikt alleen in korte pulsen kan werken, wordt momenteel veel onderzoek gedaan naar andere manieren om de stroom lopende te houden. Een succesvolle methode is om de stroom, na opstarten met de transformator, in stand te houden door microgolven in te stralen.

Voordelen en nadelen[bewerken]

Voordelen van zulke energiecentrales zijn dat er weinig radioactief afval ontstaat, en dat er steeds maar een kleine hoeveelheid nucleair reagens in de reactor aanwezig is. Een nadeel is dat zelfs de kleinste installatie waarin een rendabele exploitatie mogelijk zou zijn vrij groot is. Kernfusie is in huidige experimenten wel gerealiseerd, maar in het beste geval kost het net iets minder energie om de reactie op gang te houden dan dat de reactie oplevert. Het vergroten van de machine kan dit probleem oplossen. Of kernfusie ooit economisch rendabel wordt hangt, behalve van technische factoren, ook af van zaken als de prijs van andere energiebronnen.

Tokamakopstellingen in de wereld[bewerken]

Wereldwijd beschikken meerdere onderzoeksinstellingen over een tokamak. In 1996 is in de Tokamak-60 van het Japanse Naka Fusion Research Establishment in Naka een temperatuur van 520 miljoen kelvin bereikt. Dat is de hoogste temperatuur die ooit door mensen is gegenereerd.

In Princeton, VS staat ook een bekende proefopstelling, de TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) en in Culham, UK staat JET, (Joint European Torus), het Europese vlaggenschip van dit type onderzoek en de grootste tokamak ter wereld. In de zomer van 2005 is het besluit genomen om het grote internationale project ITER te gaan bouwen in Zuid Frankrijk (Cadarache). ITER zou rond 2020 de mogelijkheid van energetisch rendabele kernfusie moeten demonstreren, door 10 keer meer energie te produceren dan het energetisch quitte-speelpunt.

Momenteel beschikken noch Nederland, noch België over een tokamak experiment. Wel werken beiden landen samen met de Duitse regio Noordrijn-Westfalen in het Trilateral Euregio Cluster (TEC). Gezamenlijk doen zij onderzoek op de Duitse tokamak TEXTOR in Jülich. Ook ontwikkelen beide landen onderdelen voor het ITER project. Tot 1998 was op het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein (Nederland) de tokamak RTP actief.

Zie ook[bewerken]

Externe links[bewerken]