Op keramiekcursus voor de kernfysica

Chris Smiet, natuurkundige

In een kernfusiereactor wordt het gloeiendhete plasma bij de wand weg gehouden door een magnetisch veld. Zou het plasma zichzelf ook in bedwang kunnen houden met zijn eigen magneetvelden?

Chris Smiet: „Je kunt het vergelijken met het binnenstebuiten klappen van een donut in vier dimensies.” Foto David van Dam

Op een computerscherm in het kleine kantoortje van natuurkundige Chris Smiet in Leiden schieten plaatjes voorbij vol rode vlekken. Het lijken hoogtekaarten van een bergachtig landschap. „Dit is een simulatie van magnetische veldlijnen en plasma-stromen”, legt Smiet uit. „Oh! Hier gebeurt iets geks…”

Hij ziet de plaatjes voor het eerst. Tussen twee vakanties door is hij drie dagen in Nederland. Smiet kon het niet laten om naar de universiteit te komen en een computersimulatie te doen. In juni promoveerde hij aan de Universiteit Leiden op zijn onderzoek naar de structuur van magnetische veldlijnen in plasma, waarvoor hij een NWO Rubicon-beurs ontving. Die stelt hem in staat vanaf oktober twee jaar als postdoc aan de slag te gaan bij het Princeton Plasma Physics Laboratory in Amerika.

„Plasma is naast vast, vloeibaar en gasvormig een vierde toestand waarin stoffen zich kunnen bevinden”, vertelt Smiet. Het is een soort soep van door elkaar zwermende positief en negatief geladen deeltjes, legt hij uit. De temperatuur is in een plasma zo hoog dat de elektronen losraken van de positief geladen atoomkernen waar ze normaal gesproken omheen draaien. Deze exotische materie-toestand komt van nature voor in bliksemschichten. En de zon is een grote bol gloeiend plasma.

In plasma zoals in de zon kan kernfusie plaatsvinden. De rondvliegende atoomkernen knallen dan op elkaar en fuseren, waarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. Het is nog niet gelukt om die te benutten. Het hete plasma kun je namelijk niet zomaar in een vat stoppen. Elk materiaal dat ermee in aanraking komt, smelt. De enige manier om het gevangen te houden is door een kooi te bouwen van sterke magneetvelden, waartussen het plasma zweeft. Plasma bestaat immers uit bewegende geladen deeltjes en magneetvelden kunnen die geladen deeltjes sturen.

Maar het plasma creëert zelf ook magneetvelden. De geladen deeltjes wekken namelijk een elektrische stroom op en die stroom wekt een magneetveld op. Het magneetveld dat in het plasma ontstaat, heeft op zijn beurt weer effect op de geladen deeltjes erin.

Dat effect bracht de begeleider van Smiet, Dirk Bouwmeester, hoogleraar in Leiden, op een idee; zou je een plasma zo in een knoop kunnen leggen dat het zichzelf gevangen houdt? Zodanig, dus, dat het plasma zelf het magneetveld opwekt dat ervoor zorgt dat het plasma in een kluitje bij elkaar blijft? „Het oorspronkelijke plan was om tijdens mijn promotie in het laboratorium plasma in de knoop te leggen”, vertelt Smiet. „Maar dat bleek behoorlijk uitdagend. Daarom ben ik daarnaast simulaties op de computer gaan doen, om te kijken wat er wiskundig gezien in het plasma gebeurt als je er knopen in legt.”

Wat voor simulaties waren dat?

„In een computermodel simuleer ik een versimpelde versie van plasma. Vervolgens zorg ik dat dat plasma gevangen zit in magneetveldlijnen. Ik begin met magneetvelden in de vorm van twee of drie geschakelde ringen. Je hebt die geschakeldheid nodig om het plasma bij elkaar te houden. Zodra ik de simulatie start en de tijd gaat lopen, trekken de magnetische krachten de ringen tegen elkaar aan. Er ontstaat dan een chaotisch gekronkel van magneetveldlijnen. Vrij snel komt het tot rust in een geordende vorm: het plasma ligt in een donutvorm en de veldlijnen lopen netjes gedraaid over het oppervlak. Die structuur kun je goed beschrijven met wiskundige knopentheorie.”

Op het bureau van Smiet liggen twee rare voorwerpen van keramiek. Er is een grote rode, en een kleine witte. Smiet pakt de witte, die de vorm heeft van een donut, en begint er op te tekenen. Met een whiteboardstift laat hij zien hoe de magnetische veldlijnen lopen.

Heeft u die keramische donut zelf gemaakt?

Smiet lacht. „Ja, ik ben de eerste promovendus die door mijn begeleider op keramiekcursus is gestuurd. We konden de modellen ook op de universiteit laten maken, maar een keramiekcursus was goedkoper. De wiskundige knopen waarmee ik werk, zijn driedimensionaal. En omdat ik erg intuïtief werk, wil ik erop kunnen tekenen. Op een whiteboard wordt dat al snel verwarrend. De keramiekcursus vond ik ontzettend leuk en de donuts die ik gemaakt heb, zijn mijn visitekaartje geworden. Op conferenties was ik al snel ‘die met de donut in z’n colbertzakje’.”

Op dit moment wordt in Zuid-Frankrijk een donutvormig apparaat gebouwd, een ‘tokamak’, om kernfusieplasma in te beheersen met sterke magneetvelden. Heeft dat iets te maken met de donut uit uw simulaties?

„Nee. De simulaties die ik doe zijn verrassend en interessant, maar de knoop is enkel een theoretisch idee.

„Verder werkt een tokamak heel anders: daar forceer je het plasma in de donutvorm, terwijl de knoop waarmee ik werk, vanzelf ontstaat in een lege ruimte. De uiteindelijke donut die daarbij ontstaat, is stabiel omdat het plasma naar buiten wil duwen. Daardoor ontstaat een hoge druk aan de randen. Die druk wordt tegengehouden door de lage druk die aan de binnenkant heerst, die zorgt voor een tegengestelde kracht.

„In de tokamak is de druk in het plasma precies andersom verdeeld: die is het zwakst aan de wanden en hoog in het midden, hoog genoeg voor fusie. De knoop is een soort tokamak binnenstebuiten. Maar dan moet je je voorstellen dat de wanden oneindig ver weg zijn. Je kunt het vergelijken met het binnenstebuiten klappen van een donut in vier dimensies.”

Ineens stopt Smiet. „Dat wordt misschien een beetje ingewikkeld. Maar er zit wel een heel diepe waarheid achter.”

Gaat u in Princeton verder werken aan die wiskundige knopen?

„Ja, ik wil kijken of het mogelijk is om de structuur die ik tijdens mijn promotie ontdekt heb, toegepast kan worden voor kernfusie, door de modellen realistischer te maken. Ik denk dat er potentie in zit en het is spannend om aan te werken. Maar er is een very big if… Als blijkt dat de structuur een kilometer diameter moet hebben voordat fusie mogelijk is, dan is het niet realistisch. Millimeters en we zijn in business.”

Wat als het plasma niet toepasbaar blijkt voor kernfusie?

„Dat zou ik helemaal niet erg vinden. Ik haal er genoeg voldoening uit om met de fantastisch mooie wiskunde erachter te werken. Ik denk dat het veel gezonder is om te proberen je eigen idee af te schieten dan dat je het probeert te beschermen.”