Duitse stellarator heeft voordelen boven de bekende tokamak als fusiereactor

Terwijl in Frankrijk hard wordt gewerkt aan de realisatie van de grootste kernfusiereactor ter wereld, is in Duitsland een kleinere variant opgestart. De bouw van de Wendelstein 7-X duurde ruim tien jaar en het speciale ontwerp zou voordelen hebben ten opzichte van bestaande kernfusiereactoren.

21 december 2015

Het ‘eerste plasma’ in de kernfusiereactor Wendelstein 7-X bestaat uit geladen heliumatomen. — Het ‘eerste plasma’ bestaat uit geladen heliumatomen.
IPP

Slechts een tiende van een seconde lichtte het hart van de Wendelstein 7-X begin deze maand op in het Noord-Duitse Greifswald. Toch stonden wetenschappers te juichen. Binnenin de ‘wokkelvormige’ kamer van de splinternieuwe Duitse kernfusiereactor was voor het eerst een helium-plasma gemaakt, een gloeiendhete gasachtige substantie waarin uiteindelijk kernfusie tot stand moet komen.

Die kernfusie, het natuurproces waaraan onder andere onze zon haar energie ontleent (zie kader), vond nu nog niet plaats. Het opstarten van de reactor is het begin van een testcampagne die duidelijk moet maken of dit type reactor überhaupt geschikt is voor kernfusie. De Wendelstein 7-X verschilt namelijk wezenlijk van vergelijkbare (test)installaties die wereldwijd een lang gekoesterde droom proberen te verwezenlijken: het produceren van stroom met kernfusie.

Stellarator

Het verschil zit hem in de vorm van de reactor, want wie kernfusiereactor zegt, zegt bijna automatisch tokamak. De Russische afkorting voor – vrij vertaald – ‘toroïdale kamer met magnetische spoelen’. Het slaat op de meest gebruikte vorm van fusiereactoren: een donutvormige ruimte waarin magnetische spoelen het eerder genoemde plasma in bedwang houden. Ook het monsterproject ITER maakt hier gebruik van. Wendelstein 7-X is echter een zogenoemde stellarator die weliswaar ook op een donut lijkt, maar dan wel eentje die gedraaid is, zoals een ‘wokkel-chipje’.

Verschillende opstellingen voor een kernfusiereactor. Links is de zogenoemde tokamak te zien, waarin de vorm van het plasma nog het meest lijk op een donut. Rechts is de stellarator te zien, waarin de donut als het ware gedraaid is. — Verschillende opstellingen voor een kernfusiereactor. Links is de tokamak te zien, waarin de vorm van het plasma (rood) nog het meest lijkt op een donut. Rechts de stellarator, waarin het plasma (geel) als het ware gedraaid is.
Max-Planck Institut für Plasmaphysik/Kennislink

In die ronde wokkel is op 10 december voor het eerst materie verhit, een stapje richting het op gang brengen van kernfusie. Voor dit experiment werd de plasmakamer van Wendelstein 7-X eerst helemaal vacuüm gezogen om er vervolgens een milligram helium in te spuiten. Een krachtige puls van microgolven verwarmde het helium in een fractie van een seconde tot een temperatuur van ongeveer een miljoen graden. Sterke supergeleidende magneten die om het apparaat lopen, hielden het plasma in bedwang om te voorkomen dat het de wanden van de reactor zou aanraken.

De betrokken wetenschappers lieten in een persbericht weten dat het experiment prima is verlopen, ook al werd er eigenlijk nog maar met een ‘beginnersplasma’ gewerkt. Uiteindelijk moet de Wendelstein 7-X een veel heter plasma van waterstof in bedwang houden, bij een temperatuur van 100 miljoen graden. Die experimenten staan vanaf volgend jaar in de planning.

Een zon op aarde

In het begin van de twintigste eeuw stonden astronomen voor een raadsel. Waar haalt onze zon haar energie vandaan? De oplossing werd in de jaren ’20 gevonden: de zon fuseert waterstofatomen in haar kern waarbij zich helium vormt. Hierbij wordt een klein deel van de massa van de atoomkernen omgezet in energie.

Sinds de jaren ’40 proberen wetenschappers om dit proces op aarde na te bootsen. In een kernfusiereactor worden atoomkernen bij gigantische temperaturen van meer dan 100 miljoen graden Celsius samengevoegd in de hoop dat er zo energie uit te halen is. Daarbij ontstaat weinig nucleair afval, er is geen meltdown zoals in klassieke kerncentrales mogelijk en bovendien is er op aarde een grote voorraad fusiebrandstof aanwezig. Waar wetenschappers er halverwege de vorige eeuw van uitgingen dat we kernfusie binnen 40 jaar wel zouden gebruiken als energiebron, lijkt het er zelfs nu nog op dat diezelfde termijn niet haalbaar is. Kernfusie blijkt steeds moeilijker dan gedacht.

NASA-beeld van de zon. — De zon brandt door kernfusie.
SOHO-EIT Consortium/ESA/NASA

Een verdraaid ontwerp

De Wendelstein 7-X wordt gerund door het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik en is in feite een enorme vacuümkamer, supermagneet en magnetron in één. Daarin wordt een gloeiend heet plasma gecreëerd en vastgehouden. De plasmakamer zelf heeft een maximale diameter van bijna 13 meter, op sommige plekken is hij tweeënhalve meter hoog, op andere punten kan een mens er net gebukt in staan.

Bouw van Wendelstein 7-x. De kosten van het apparaat worden nu geraamd op 1,06 miljard euro.

De bijzondere vorm van Wendelstein is het resultaat van berekeningen door een supercomputer, waarmee de ideale vorm van een plasma is bepaald. Door deze vorm heeft de reactor als het goed is minder moeite met het in bedwang houden van het plasma: een probleem dat in de eerder genoemde tokamaks een grotere rol speelt. Naast sterke magneten om de reactor, loopt er bij een tokamak ook een krachtige stroom door het plasma heen om het op zijn plek te houden. In een stellarator zoals Wendelstein 7-X hoeft dat niet.

Daarnaast hebben ionen van het plasma in een tokamak de neiging om richting de wanden te bewegen. Als gevolg daarvan functioneren reactoren zoals ITER en de Europese Joint European Torus European Torus (JET) relatief kort, waarna een plasma weer opnieuw gemaakt moet worden. Een stellarator kan theoretisch continu functioneren, een groot voordeel voor energiewinning.

Mijlenver

Echt energie uit kernfusie persen – in welke vorm dan ook – lijkt nog ver weg. De beste prestatie kwam tot nu toe van JET die in 1997 een seconde lang 16.000.000 watt produceerde, zo’n 70 procent van de energie die erin was gestopt. Ook de Amerikaanse National Ignition Facility verraste vorig jaar door energie te winnen uit een minuscuul bolletje deuterium en tritium dat werd bestookt met krachtige lasers. Deze voorzichtige successen ten spijt, staan ze nog mijlenver van een centrale die een betrouwbaar en continu vermogen levert.

Een technicus aan het werk in de kernfusiereactor Wendelstein 7-X. Zichtbaar zijn watergekoelde koperplaten in de wand van de reactor. Daar overheen kom tegels van grafiet. — Een technicus aan het werk in de kernfusiereactor Wendelstein 7-X. Tegen het plafond zijn watergekoelde koperplaten zichtbaar. Die beschermen de wand van de reactor tegen interacties met het gloeiend hete plasma. Daar overheen komt nog een tegellaag van grafiet.
Gwurden

Wendelstein 7-X gaat sowieso geen energie produceren: het apparaat is volledig ontwikkeld voor onderzoek en zal de komende jaren moeten bewijzen dat het een plasma continu in bedwang kan houden. Uiteindelijk moeten de experimenten een duur krijgen van zo’n 30 minuten.