Naar de content

Een verdraaid ontwerp voor kernfusie

Fusiereactor Wendelstein 7-X maakt snelle start

Een kijkje in een reactor. Er zijn meetinstrumenten, koperkleurige magneetringen en een vacuümkamer te zien.
Een kijkje in een reactor. Er zijn meetinstrumenten, koperkleurige magneetringen en een vacuümkamer te zien.
IPP

Kernfusie zit al jaren in het slop. De technologie belooft dé energiebron voor de toekomst te zijn, schoon en vrijwel onuitputtelijk. Maar na ruim een halve eeuw onderzoek lijkt de realisatie nauwelijks dichterbij. In het Duitse Greifswald gooien ze het nu over een andere boeg. Kernfusiereactor Wendelstein 7-X is na tien jaar bouwen klaar en moet de droom dichterbij brengen met een uniek ontwerp. Kennislink gaat op bezoek.

Een waterig zonnetje schijnt over de bossen en de akkers waarvan de sneeuw nog maar net verdwenen is. In het noordoosten van Duitsland is het landelijk en leeg. Toch is het een hotspot voor onderzoek naar kernfusie. Aan de rand van het historische stadje Greifswald prijkt het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. Zo’n vierhonderd wetenschappers en technici werken hier aan de Wendelstein 7-X Stellarator, een splinternieuwe experimentele kernfusiereactor. Het is de grootste in zijn soort.

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

SOHO-EIT Consortium/ESA/NASA

Binnen loopt professor Robert Wolf door zijn kantoor en schrijft enthousiast de ene na de andere formule op het bord. Hij probeert me duidelijk te maken hoe je kernfusie voor elkaar krijgt in een reactor op aarde. Hoe dit proces de energiebron voor de zon vormt, daar zijn wetenschappers inmiddels wel uit. Bij de gigantisch druk en temperatuur in het hartje van onze ster smelten grote hoeveelheden waterstof samen tot helium, waarbij veel energie vrijkomt.

Magnetische doos

Het proces, niet te verwarren met kernsplijting, levert broeikasgassen noch grote hoeveelheden kernafval op. Niet zo gek dus dat wetenschappers proberen kernfusie naar de aarde te halen. “Maar vergeet het maar dat je waterstoffusie zoals in de zon kunt doen”, zegt Wolf. “De temperatuur is niet het probleem maar we komen niet eens in de buurt van de druk die daarvoor nodig is.” Daarom kiezen we op aarde voor fusiereacties die ook bij lage druk redelijk verlopen, zoals het samensmelten van kernen van deuterium en tritium, twee zogenoemde isotopen van waterstof.

Kernfusiereactor Wendelstein 7-X. De donutvormige buitenwand van het plasmavat is op grondniveau te zien. Daarop zitten de twee metalen kasten. Rechtsonder is de hoofdverwarming van de reactor, die het plasma met microgolven verwarmt.

Roel van der Heijden

Goed, het is dus mogelijk kernfusie te doen bij een ‘haalbare’ druk van een paar bar, maar waar stop je een zinderend plasma in? Er is geen materiaal op aarde dat een temperatuur van meer dan honderd miljoen graden Celsius weerstaat. De oplossing die wetenschappers meer dan een halve eeuw geleden bedachten is om een sterke magnetische doos te bouwen. Magneetvelden slijten immers niet, ook niet van een gigantische temperatuur.

Maar het bouwen van zo’n magnetische doos blijkt geen sinecure. Er zijn bijzonder sterke magneetvelden nodig, die precies de goede vorm moeten hebben om de opgejaagde deeltjes in de fusiebrandstof – een soep van geladen deeltjes, ook wel een plasma genoemd – in goede banen te leiden. Het turbulente gedrag van plasma heeft vrijwel ieder fusie-experiment tot nu toe parten gespeeld. “We willen nu met Wendelstein 7-X precies begrijpen hoe we zo’n plasma het best kunnen vasthouden”, zegt Wolf.

Een metalen monster

De professor is in zijn nopjes. Wendelstein draait amper een paar maanden en nu al zijn er successen. Afgelopen december werd het eerste heliumplasma gemaakt. Sindsdien zijn er ook experimenten met een nog heter waterstofplasma geweest, steeds iets langer, om de machine voorzichtig te beproeven.

De voortvarend start is de kroon op het bouwproces van Wendelstein, dat meer dan tien jaar duurde. De reactor is geen simpele machine. Dat wordt meteen duidelijk als ik even later met Lutz Wegener de grote hal binnenloop waarin Wendelstein als een groot metalen monster verrijst. Wegener is verantwoordelijk voor de assemblage van de machine die gefaseerd doorgaat tot 2019.

Alle essentiële systemen voor het bedwingen van een plasma werken inmiddels en lijken hier verwikkeld in een grote metalen knoop. Ik weet niet waar ik moet kijken vanaf het balkon op de eerste verdieping. Gelukkig krijg ik hulp van het getrainde oog van Wegener. Hij wijst op het plasmavat dat als een pokdalige donut nog net onder de wirwar van draden, buizen en steigers te zien is. De ‘pukkels’ – een soort patrijspoorten – bieden toegang tot het binnenste van de reactor, voor meetinstrumenten tijdens de experimenten, voor mensen tijdens de bouwfase. In totaal zijn het er vijfhonderd.

Supergeleidende magneten

Uit de reactor steken ontelbaar veel kabels en buizen, waarvan een deel vanuit het centrum van de donut via een brug naar de zijkant van de hal lopen. Daar gaan ze verder, naar bijvoorbeeld de controlekamer die verderop ligt. Wegener doet een snelle rekensom en schat dat er zeker duizend kilometer kabel in Wendelstein zit. Onder me staan twee met plaatstaal beklonken kasten die via buizen zijn verbonden aan de reactor. Dit is de belangrijkste warming die via microgolfstraling het gas in de reactor binnen luttele milliseconden kan verhitten tot de duizelingwekkende temperatuur van zo’n honderd miljoen graden Celsius. Dat is enigszins te vergelijken met een magnetron, maar deze machines hebben niet het typische huis-tuin-en-keuken-vermogen van negenhonderd watt, maar zo’n twintig miljoen watt.

Boven de machine steekt een open metalen pijp de ruimte in. Dat is een nooduitlaat voor de grote hoeveelheid vloeibaar helium in de machine, die de supergeleidende magneten permanent op een paar graden boven het absolute nulpunt houdt. Die magneten wekken ijzersterke magneetvelden op die de energieke deeltjes in de reactor op hun plek houden. In Wendelstein komen magneetvelden tot drie tesla voor, zeshonderd keer sterker dan een gemiddelde koelkastmagneet. “Omdat de machine zelf van metaal is komen er grote krachten op te staan,” zegt Wegener, “ondanks de sterke constructie vervormt Wendelstein toch een beetje als hij aanstaan. Tot ongeveer anderhalve centimeter aan de buitenkant.”

Ook de gigantische schuifdeur van de reactorhal maakt indruk, 1,8 meter dik van massief beton. Het gevaarte is bedoeld om straling (vooral snelle neutronen en gammastraling) uit Wendelstein tegen te houden, ook al produceren de huidige experimenten met waterstof en helium dat niet. Voor ieder experiment wordt de hal zorgvuldig geëvacueerd.

Een kijkje in een reactor. Er zijn meetinstrumenten, koperkleurige magneetringen en een vacuümkamer te zien.

Een kijkje in de reactor. Aan de bovenkant is de buitenkant van de reactor zichtbaar met de ‘patrijspoorten’ waardoor meetinstrumenten toegang hebben tot de binnenkant van de reactor. Daaronder zitten onder andere de koperkleurige magnetenringen die het plasma (roze) op zijn plek houden in de ‘wokkelvormige’ vacuümkamer in het hart van de machine.

IPP

Vandaag vinden er geen experimenten plaats, maar het is verre van stil in de hal. Op de achtergrond zoemen pompen, vacuümsystemen en een nauwgezet klimaatsysteem die vrijwel permanent dienst hebben. Ook loopt er een handjevol ingenieurs om het apparaat heen. Ze kijken op bouwtekeningen en wijzen naar onderdelen van de machine. Zelfs nu Wendelstein de operationele fase in is gegaan is er een berg werk te verzetten voor de ingenieurs en bouwers. Ze zijn bezig met de continue minutieuze inspectie van de machine, maar werken ook aan het uitbreiden van de reactor met nieuwe onderdelen.

Belangrijke uitbreidingen zijn zogenoemde divertors, een soort in- en uitlaten die de plasmabrandstof tijdens de operatie van de reactor verversen. Dat is nodig voor langere experimenten. Tot nu toe heeft Wendelstein maximaal zeven seconden lang achter elkaar gedraaid, maar uiteindelijk willen de ingenieurs Wendelstein een half uur draaiende houden. Een absoluut record voor fusiereactors wereldwijd en bovendien veel langer dan de geplande experimenten die in de veel grotere in aanbouw zijnde fusiereactor ITER in Frankrijk.

Plasma in het gareel

Juist de bijzondere vorm van het hart van Wendelstein – de plasmakamer – maakt lange experimenten mogelijk. Die verschilt van de tot nu toe meest gebruikte vorm van fusiereactoren: de tokamak, die eruit ziet als een donut. Wendelstein is een zogenoemde stellarator, waarvan het ontwerp ook een rondje maakt, maar tegelijkertijd is gedraaid als een ‘wokkel-chipje’. Deze wokkel volgt het natuurlijk spoor dat geladen plasmadeeltjes in de aangelegde magneetvelden nemen.

In de eerder genoemde tokamaks, zoals JET in Engeland of ITER in Frankrijk, volgen de geladen deeltjes idealiter óók dat ‘wokkelspoor’. Om dat voor elkaar te krijgen is het echter niet voldoende om alleen magneten om de donut heen te leggen. Er moet daarnaast een sterke elektrische stroom door het plasma lopen. Wetenschappers hopen nu dat het in een machine als Wendelstein makkelijker is een plasma te bedwingen, door afwezigheid van die stroom. Bovendien biedt dit de mogelijkheid om de machine theoretisch oneindig lang te laten draaien, iets dat bij een tokamak niet mogelijk is.

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.

Max-Planck Institut für Plasmaphysik/Kennislink

Iemand die een poging doet om het plasma in de reactor zo goed als het gaat te begrijpen is Marco Beurskens, een Nederlander die sinds afgelopen jaar in Greifswald werkt en sinds zijn studententijd al hooked is aan het kernfusieonderzoek. Beurskens is eigenlijk een ‘overloper’ uit het tokamak-kamp. Veertien jaar lang werkt hij voor JET, tot nu toe meest succesvolle kernfusiereactor in de wereld, gebaseerd op het tokamak-ontwerp. “Maar veel systemen zoals de magneten, verwarming, meetinstrumenten en een extreem hittebestendig reactorwand heb je in beide ontwerpen nodig,” zegt hij, “wat dat betreft is er veel overlap tussen de projecten.”

Beurskens is natuurkundige en in Greifswald verantwoordelijk voor de meetinstrumenten die nodig zijn om onderzoek te doen naar complex interacties in het plasma. Al snel tijdens de uitleg pakt Beurskens een viltstift om het vaak wispelturige gedrag van plasma in een kernfusiereactor te verduidelijken. Hij begint op een whiteboard een soort zigzaglijnen te tekenen. “Dit zijn zogenoemde bananenbanen,” zegt hij, “zigzaggende banen van sommige deeltjes in het wokkelvormige plasma. Terwijl de meerderheid van de deeltjes keurig rondgaan in de reactor willen deze deeltjes de reactor eigenlijk verlaten en bedreigen zo de stabiliteit van het hele plasma.”

Beurskens zegt dat het door de opkomst van supercomputers in de jaren tachtig voor het eerst mogelijk werd om in het ontwerp van een reactor rekening te houden met deze vreemde banen, de voormalige lastposten. Door precies uit te rekenen hoe de banana orbits eruit zouden zien, konden ze de vorm zo maken dat de deeltjes weliswaar nog steeds heen en weer schudden in het plasma, maar de reactor niet meer verlaten. “De deeltjes draaien hun eigenwijze rondjes, maar blijven wel binnen de machine”, zegt hij.

Rechts inhalen

Het vooruitzicht van een onuitputtelijke en schone energiebron die kernfusie ooit kan zijn is mooi. Maar iedereen die een dagje gaat kijken bij Wendelstein begrijpt dat de weg daar naartoe nog extreem lang is, en nog minimaal tientallen jaren, zo niet stukken langer, gaat duren. In Greifswald wordt immers nog nauwelijks gepraat over het daadwerkelijk fuseren van atomen: sterker nog, dat zal ook niet gebeuren. Het draait hier om het maken van de perfecte magnetische doos. Echte fusiereacties zouden zijn voorbehouden aan de eventuele opvolger van Wendelstein 7-X.

Maar Wendelstein is in vergelijking met het gigantische, topzware en politiek gecompliceerde ITER-project relatief overzichtelijk. De bouw van beide fusiereactoren begon in 2006, maar terwijl men in Greifswald al volop aan het experimenteren is, verwacht men de eerste experimenten van ITER na veel vertragingen pas in 2025. In ITER zal wél kernfusie gaan plaatsvinden, maar wie weet haalt het Duitse wokkel-chipje de donut nog wel in als het gaat om de meest veelbelovende fusiereactor.

Kernfusiereactor ITER staat anno 2016 nog volop in de steigers.

ENGAGE
ReactiesReageer