Een verdraaid ontwerp voor kernfusie

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.

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.

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.