12 oktober 2017

“Een van de (vele) uitdagingen bij de realisatie van kernfusie als energiebron is het maken van een bestendige reactorwand. Die moet een temperatuur van zo’n 150 miljoen Celsius weerstaan. Wetenschappers van het Nederlandse onderzoeksinstituut DIFFER denken nu dat een wand van vloeibaar metaal de klus kan klaren. Vier jaar geleden ging ik al op bezoek bij kernfusiereactor in aanbouw ITER en zag dat kernfusie rocket science op aarde is.”

Je leest:

‘De meest complexe machine op aarde’

‘De meest complexe machine op aarde’

Ondanks de belofte op een veilige, schone en schier oneindige energieproductie faalden alle pogingen tot nu toe om kernfusie in te zetten als energiebron. Momenteel wordt er echter hard gewerkt aan een machine die de weg moet plaveien naar een centrale die fusie-energie produceert. Kennislink neemt met enkele experts testreactor ITER onder de loep, volgens sommigen de meest complexe machine op aarde in aanbouw.

Vloeibaar metaal als plasmadoosje

Het gloeiendhete plasma is de brandstof van een kernfusiereactor. Hoewel het voornamelijk in bedwang wordt gehouden door ijzersterke magneetvelden krijgt de wand van een reactor als ITER het enorm te verduren. Zelfs de sterkste en meest hittebestendige materialen slijten hierbij sneller dan ingenieurs lief is.

Wetenschappers van het Nederlandse onderzoeksinstituut publiceren begin augustus 2017 over een mogelijk oplossing: een wand van vloeibaar metaal. Ze testten een wand van wolfraam waarin door kleine gaatjes tin of lithium naar buiten stroomt. Als gevolg van de hitte verdampt dit materiaal en vormt een soort damplaag voor de wand, die warmte van het plasma absorbeert en verdeelt. Bovendien wordt de beschermlaag vanzelf dikker op het moment dat de temperatuur stijgt en er meer materiaal verdampt. De wetenschappers denken een veelbelovende oplossing voor toekomstige fusiereactoren in handen te hebben.

Meer weten over kernfusie zelf? Lees het Kennislinkartikel Een zon op aarde.

De zon fuseert elke seconde met schijnbaar gemak honderden miljoenen tonnen aan waterstof tot helium. Het fuseren van atoomkernen tot nieuwe, zwaardere kernen is een proces waar doorgaans ongelofelijk veel energie bij vrijkomt en dat wereldleiders dan ook maar al te graag naar de aarde willen halen als basis van onze energievoorziening. Maar kernfusie bedrijf je niet zomaar…

Het punt is dat atomen zich niet zomaar laten fuseren. Daarvoor zijn omstandigheden nodig die niet eens in de buurt komen van wat wij ons kunnen voorstellen. In de kern van de zon, waar kernfusie plaatsvindt, heerst een druk van 250 miljard maal de druk van onze atmosfeer op zeeniveau en een temperatuur van 15 miljoen graden Celsius. Dat sámen is nodig voor kernfusie en wil je het kunstje van de zon nadoen, dan ontkom je niet aan deze twee welhaast onmogelijke voorwaarden.

Daarmee lijken de beloftes van fusie-energie volstrekt onhaalbaar, maar zo niet volgens Carlos Alejandre, vice-directeur van de veiligheidsafdeling van ITER: “Als je de temperatuur nóg verder opvoert, zeg naar ruim dan 100 miljoen graden, dan valt de noodzaak voor die extreem hoge druk weg. Kernfusie zal bij die temperatuur zelfs in een bijna vacuüm plaatsvinden.”

Alejandre heeft het specifiek over de fusie van deuterium en tritium, een reactie die niet in de zon voorkomt en pas echt vlot verloopt bij een temperatuur van pakweg 150 miljoen graden. Hoe onmogelijk deze temperatuur je ook in de oren mag klinkt, het is misschien wel juist deze fusiereactie die over 100 jaar de lampen in huis zullen laten branden.

Megamagnetron

We hebben allemaal wel een oven in huis die op te stoken is tot een kleine 300 graden Celsius. Industriële exemplaren halen duizenden graden. Maar hoe stook je een reactor op tot 150 miljoen graden, oftewel tien keer de temperatuur van de kern van onze zon?

Twee soorten verwarmingssystemen staan centraal in ITER. Ten eerste worden er deuterium-atomen versneld en met hoge snelheid op het materiaal in de reactor afgeschoten die hun energie daar via botsingen overdragen. Daarnaast zijn er twee systemen die de reactor verwarmen met elektromagnetische straling die specifiek is afgestemd op de bewegingen van de deeltjes waaruit het bestaat, ionen en elektronen. Eigenlijk is dit laatste proces is vergelijkbaar met de manier waarop een magnetron werkt.

Het verschil is dat het stookvermogen van ITER 50.000.000 watt is. Dat staat gelijk aan pakweg 25.000 huis-tuin-en-keuken-ovens bij elkaar.

Schaal iter
Fusiereactor ITER gaat de eerste poging wagen om energie te winnen uit kernfusie. Let vooral op de persoon die zich rechtsonder in deze impressie vergaapt aan de afmetingen van de reactor.
Karlsruhe Institute of Technology

Magnetisch doosje

Zaak is dus eerst een reactor te bouwen die op te stoken is tot boven de 100 miljoen graden Celsius. De cruciale vraag daarbij is: “waar maak je die reactor van?” Richard Pitts, verantwoordelijke voor de reactorwand van ITER reageert: “We kunnen op zich best een ‘doosje’ maken dat bestand is tegen die temperatuur; de hamvraag is alleen hoe lang dat doosje het uithoudt…”

De oplossing die hiervoor ruim een halve eeuw geleden werd bedacht is complex maar elegant. Wetenschappers in de voormalige Sovjet-Unie ontdekten toen dat het veel slimmer is om het fusiemateriaal te controleren met magnetische velden. Weliswaar brengt dit technisch gezien veel uitdagingen met zich mee, maar het grote voordeel is dat magnetische velden niet slijten, hoe hoog je de verwarming ook opschroeft.

Een voorwaarde voor het functioneren van een magnetische kamer is dat hetgeen je probeert te controleren een netto lading heeft. Hierbij helpt moeder natuur gelukkig een handje, want bij ITER’s beoogde temperaturen zijn atoomkernen niet meer in staat hun elektronen vast te houden. Het resultaat is een soep van negatief geladen elektronen en positief geladen atoomkernen – ook wel plasma genoemd – die zich prima laten dirigeren door een magnetisch veld.

Ook de Joint European Torus – een van de belangrijkste voorgangers van ITER – maakt gebruik van een magnetische kamer in de vorm van een donut, een zogenoemde tokamak. Het geheim van dit concept is dat de elektrisch geladen deeltjes bij een rondgaande beweging in de reactor een magneetveld opwekken dat het bestaande veld versterkt en andere deeltjes gevangen houdt.

Iter magneten
Om het plasma van ITER op zijn plek te houden worden 18 verticale en 6 horizontale magnetische lussen gebruikt. Daarnaast bevindt er zich een verticale magnetische staaf in het midden van de machine.
ITER

Vliegdekschepen afremmen

Toch zal het opstarten van ITER niet zo eenvoudig zijn als de verwarming aanzetten en de deeltjes in de reactor een zetje in de rondte te geven. De magnetische kamer bestaat immers bij de gratie van magneten; héél veel magneten… Neil Mitchell is de man die bij ITER verantwoordelijk is voor de magneten en hij laat weten dat er momenteel zo’n 409 ton aan magneten is geproduceerd, bijna een half miljoen kilo, alsof het de normaalste zaak van de wereld is. “In feite zijn die magneten lange kabels gemaakt van niobium-tin”, laat hij weten. “In totaal zo’n 85.000 kilometer in lengte. Ik schat dat de waarde van die magneten alleen al zo’n 250 miljoen euro is…”

Het principe van deze magneten is vrij eenvoudig, te vergelijken met elke elektromagneet. Jaag een flinke stroom door de kabel die is gewikkeld als een spoel en je wekt een aardig magneetveld op. Hoe hoger die stroom des te sterker is het magneetveld.

Charles de gaulle schip
Met de energie die in de magneten van ITER zit opgeslagen zou je het Franse vliegdekschip Charles de Gaulle tot 180 kilometer per uur kunnen versnellen.
netmarine.net

Maar ‘aardig’ is in het geval van ITER niet goed genoeg. Hier zijn magneetvelden tot wel 13 tesla nodig, oftewel de 2500 keer de sterkte van een gemiddelde koelkastmagneet. Om dat voor elkaar te krijgen worden er handig gebruik gemaakt van supergeleiding. Door de magneetkabels te koelen tot slechts een paar graden boven het absolute nulpunt verliezen ze hun elektrische weerstand. Dat betekent dat er gigantische stromen doorheen kunnen lopen, zónder dat de kabels opwarmen of zelfs smelten.

“Het is hierbij wel cruciaal dat de magneten niet boven de kritische temperatuur komen”, zegt Mitchell. “Mochten ze op het moment dat ITER draait warmer worden dan zo’n -268 graden Celsius dan verliezen ze hun supergeleidende eigenschap en beginnen de gigantische hoeveelheid energie die ze bevatten om te zetten in warmte. En dat zal waarschijnlijk desastreuze gevolgen voor de reactor hebben. We hebben daarom een noodsysteem waarmee we de 51 gigajoule in het magneetsysteem veilig kunnen afvoeren binnen pakweg 20 seconden. Stel je voor, dit komt overeen met het afremmen van Frankrijks vlaggenschip Charles de Gaulle van 180 km/h tot 0; en dat in dezelfde korte tijd…”

Rocket science van het afvoerputje

Om te voorkomen dat deze noodstop ooit gebruikt hoeft te worden zijn de magneten goed afgeschermd van het gloeiendhete hart van de reactor. Onder andere door de vacuümkamer. De stalen kolos zorgt daarnaast voor een luchtdichte afsluiting van de reactor. Zelfs maar een grammetje lucht zou het fusiefeest in de reactor grondig verpesten. Dat komt onder andere omdat er zich tijdens operatie überhaupt maar een gram brandstof in de reactor zit. ITER wordt naast megamagnetron en magnetische krachtpatser, eigenlijk ook een van de grootste vacuümkamers te wereld. De kamer bestaat uit een dubbele stalen wand waartussen water stroomt ter koeling. Het stalen gevaarte weegt net iets meer dan het ijzer van de Eiffeltoren bij elkaar.

Vacuumkamer
Deze ruimte kan vrijwel vacuüm worden gezogen zodat er tegelijkertijd slechts een gram fusiemateriaal in de reactor zit. De 44 poorten kunnen worden gebruikt als entree voor robotarmen om reparaties aan de binnenkant van de reactor uit te voeren.
ITER

De binnenkant van de vacuümkamer is bedekt met in totaal 44 grote beryllium tegels, het zogenoemde blanket. Het is vooral deze laag die het flink te verduren zal krijgen. Grote hoeveelheden elektromagnetische straling en hoog-energetische neutronen (die niet worden bedwongen door het magneetveld van de reactor) zullen deze laag opwarmen en langzaam radioactief maken.

Een ander onderdeel van ITER dat zwaar onder vuur zal liggen is de zogenoemde divertor. “Het afvoerputje van ITER”, aldus Pitts. Hier wordt onder andere het ontstane helium – eigenlijk het ‘as’ van het vuur in de reactor – weggevoerd. Gezien de hitte van het plasma zal dit de plek zijn waar ITER het meeste zal slijten. Er zijn maar weinig materialen die de voorziene temperatuur (ongeveer 3000 graden Celsius) heelhuids kunnen doorstaan tijdens de beoogde 20-jarige levensduur van ITER, en waarschijnlijk wordt wolfraam in het ontwerp gebruikt, het metaal met het hoogste smeltpunt.

“De materialen van de divertor krijgen een hitte van tientallen megawatt per vierkante meter te verduren”, zegt Rem Haange. Dat is ter vergelijking al gauw zo’n 15.000 keer de energie die de zon op een heldere dag op een vierkante meter aarde schijnt. "Om iets te fabriceren dat zoveel hitte weerstaat kan echt wel rocket science genoemd worden.

Bouwproces

De laatste twee jaar is ITER de constructiefase ingegaan. Dat betekent dat de reactor niet slechts op de tekentafel bestaat, maar dat er in de Zuid-Franse bossen ook daadwerkelijk betonmolens draaien.

Iter luchtfoto
Het bouwterrein van ITER. Vergroot de afbeelding voor meer informatie.
Princeton Plasma Physics Laboratory/ITER

Overigens wil dat nog niet zeggen dat alle bouwtekeningen keurig op een stapeltje in de kast liggen. Hoewel het ontwerp in grote lijnen vaststaat, zijn nog niet alle delen van het systeem tot op de laatste millimeter uitgedacht.

“Neem bijvoorbeeld de tokamak zelf, op zijn afmetingen zit nu nog steeds een onzekerheid van een centimeter”, zegt Brian Macklin, medewerker van ITER die verantwoordelijk is voor het samenstellen van de machine. “Blijken de aangeleverde onderdelen aan de grote kant uitgevallen dan moeten we zorgen dat de afmetingen van de overige onderdelen daarop worden afgestemd. Dit zogenoemde reverse engineering zal de komende jaren nog veelvuldig voorkomen. Verder is er nu nog ruimte voor veranderingen in het ontwerp, maar als iemand nú nog de afmetingen van de reactor in het ontwerp probeert aan te passen dan wordt hij of zij echt naar huis gestuurd, haha.”

Volgens Macklin zal het in elkaar zetten van de reactor ongeveer vier jaar in beslag nemen. In 2017, op het hoogtepunt van het sleutelwerk, werken er bijna 2000 mensen op het terrein. Als de reactor helemaal klaar is rond 2021 zal de machine een periode van 18 maanden in gaan waarbij de machine voorzichtig wordt opgestart, zonder hem op volle kracht te benutten. Daarna gaat ITER weer uit. Het duurt dan nog twee jaar om de machine te perfectioneren voor het ‘echte werk’, als de machine tot het uiterste gedreven wordt en er ook daadwerkelijk kernfusie zal plaatsvinden. De planning zegt nu dat de eerste echte deuterium-tritium-experimenten, waarbij de machine meer energie produceert dan dat erin gaat, in 2027 plaats zullen vinden.

Politieke puzzel

ITER blijkt in alle opzichten een puzzel van wereldformaat. Een van de communicatiemedewerkers grapte tijdens een bezoek van Kennislink dat zelfs het miniatuurmodel van de reactor moeilijk in elkaar te zetten was. Maar het project is niet alleen een technische puzzel. Ook de internationale samenwerking zorgt voor hoofdbrekens. Zo werd er bijvoorbeeld jarenlang gesteggeld over de locatie van de reactor. Uiteindelijk won Europa de race om het gastheerschap en werd de ‘verliezende’ partij Japan zoet gehouden met extra privileges.

Iter participants
ITER is een samenwerkingsproject van China, de Europese Unie, India, Japan, Rusland, de Verenigde Staten en Zuid-Korea. De rode stip geeft aan waar de reactor gebouwd wordt.

Het illustreert hoe lastig is om met de halve wereld één machine te bouwen die zijn weerga niet kent. Pitts besluit: “Misschien komen de detectors van de deeltjesversneller LHC in de buurt maar ik weet vrij zeker dat ITER de meest complexe machine wordt die ooit is gebouwd.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 03 september 2013

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE