Je leest:

Kernfusie – een energieproject van de lange adem

Kernfusie – een energieproject van de lange adem

Auteur: | 1 november 2003

Halverwege dit jaar valt het besluit waar de nieuwe internationale kernfusietestreactor ITER wordt gebouwd. Een extra steun in de rug komt van de VS en China. Beide landen besloten afgelopen januari ieder voor tien procent te willen bijdragen aan de bouwkosten. Hiermee lijkt een einde gekomen aan een decennium van politieke besluiteloosheid, die het internationale kernfusieonderzoek heeft vertraagd. In het snelste scenario kan nu over veertig jaar de eerste commerciële kernfusiereactor gereed zijn: veilige, schone en bijna onuitputtelijke energie.

Halverwege dit jaar valt het besluit waar de nieuwe internationale kernfusietestreactor ITER wordt gebouwd. Een extra steun in de rug komt van de VS en China. Beide landen besloten afgelopen januari ieder voor tien procent te willen bijdragen aan de bouwkosten. Hiermee lijkt een einde gekomen aan een decennium van politieke besluiteloosheid, die het internationale kernfusieonderzoek heeft vertraagd. In het snelste scenario kan nu over veertig jaar de eerste commerciële kernfusiereactor gereed zijn: veilige, schone en bijna onuitputtelijke energie.

“De werking van een tokamak lijkt op die van een moderne verbrandingsmotor ", zegt plasmaonderzoeker dr. Tony Donné over de torusvormige ring waarin de kernfusie plaatsvindt. “Je kunt een motor gewoon laten lopen, maar hij wordt veel efficiënter als je hem in real-time optimaliseert. Om uiteindelijk zoveel mogelijk energie uit een tokamak te halen, moet je ook deze voortdurend bijsturen. Dus moet je goed weten wat er in het plasma gebeurt.” Donné is gespecialiseerd in plasmametingen, de zogeheten diagnostiek, en voorzitter van de diagnostiekgroep voor de geplande nieuwe fusiereactor ITER, de International Tokamak Experimental Reactor.

Opengewerkte tekening van de ITER-torus. Rechtsonder staat – op schaal – een mens getekend: ITER wordt immens!

Het opereren van een tokamak is veel complexer dan het opereren van een grote deeltjesversneller zoals bij het versnellerinstituut CERN in Genève, vertelt Donné. “Een ingenieur vertelde me ooit dat hij was overgestapt van het elementaire-deeltjesonderzoek naar het kernfusieonderzoek, omdat hij de technische uitdaging van fusiereactoren groter vond dan die van deeltjesversnellers.” Een tokamak kent vele subsystemen die innig verstrengeld zijn. Een plasma gedraagt zich namelijk als een sterk niet-lineair systeem. Temperatuur, stroom en magneetveld zijn sterk aan elkaar gekoppeld. Wordt bijvoorbeeld het vermogen opgevoerd van de reactor, dan gaat er een grotere stroom door het plasma lopen, die op zijn beurt weer het magneetveld en de opsluiteigenschappen beïnvloedt. In een kernfusiereactor moeten de metingen daarom worden teruggekoppeld voor een continue bijregeling van het plasma.

Het plasma bepaalt zelf de precieze turbulente structuren waarmee het door de tokamak stroomt. Plasma’s gedragen zich zeer turbulent. Nooit bereiken ze een rustig evenwicht. Wel vormen zich allerlei structuren, die weliswaar klein zijn ten opzichte van het totale plasma, maar die belangrijk zijn bij het warmteverlies van een plasma. Toch is de warmtegeleiding van een tokamakplasma, zelfs met de turbulentie, nog altijd slechter dan die van piepschuim. Hoe turbulenter het plasma, hoe beter de menging, en hoe slechter ook de plasmaopsluiting. “Tegenwoordig kunnen we filmpjes maken van die turbulentie. Zo zien we wat er op schalen van tientallen microseconden en enkele centimeters gebeurt”, zegt Donné.

Octopustentakels

Donné geeft een rondleiding langs de fusietestreactor TEXTOR in het Duitse Jülich, vlak over de Nederlands-Duitse grens nabij Heerlen. Het meters hoge en brede apparaat heeft twee jaar stilgestaan in verband met aanpassingen, maar wordt binnen een aantal dagen weer opgestart. TEXTOR is een Duits-Belgisch-Nederlands samenwerkingsproject. De plasmakamer van de nieuwe fusiereactor ITER wordt ongeveer drieëneenhalf maal zo breed en acht maal zo hoog als deze Duitse kolos. Tussen de laatste voorbereidingen door, lopen we langs de torusvormige tokamakkamer en de meetapparaten. Spoelen omringen de hele rondte van de tokamak. Zij houden het ultrahete plasma met sterke magneetvelden van de wand vandaan. Een zesarmig transformatorjuk omklemt als de tentakels van een octopus de ringvormige plasmakamer. Een klein, doorzichtig venster biedt een inkijk in het inwendige van de tokamak. Door het venster kan bijvoorbeeld een laserstraal worden gestuurd om metingen te verrichten aan het dertig miljoen graden Celsius hete plasma. Het plasma zelf is een ijle wolk van elektronen en ionen die met grote snelheid rondjes draaien in de plasmakamer, waarbij ze steeds de ringvormige magneetveldlijnen volgen.

TEXTOR in het Duitse Jülich, vlak over de Nederlands-Duitse grens nabij Heerlen.

Zelfs de zon bereikt in haar inwendige – waar waterstofkernen fuseren tot helium en de zon van energie voorzien – niet zulke extreme temperaturen. Haar inwendige temperatuur ligt een factor zeven tot tien lager. “Ook de krachten die op de toruswand en de magneten kunnen werken zijn gigantisch”, zegt de in Duitsland werkzame Nederlander Donné. “Toen de plasmastroom een keer uitviel, verplaatsten de spoelen en het vacuümvat zich een centimeter. En dan gaat het om grote massa’s die stevig zijn verankerd.”

Zo’n vijftien Nederlandse, honderdtien Duitse en tien Belgische onderzoekers werken samen aan één reactor in Jülich. De Duitsers richten zich op de interactie tussen het plasma en de wand, terwijl de Nederlanders die vanuit Nieuwegein zijn overgekomen de transport- en opsluiteigenschappen van het plasma bestuderen. Allemaal subonderzoek met als uiteindelijk doel commercieel haalbare kernfusie.

Schoon en overvloedig

Het idee van kernfusie is simpel: breng twee atoomkernen zo dicht bij elkaar dat ze fuseren, dat wil zeggen samensmelten. Bij een fusiereactie ontstaan er meestal twee nieuwe deeltjes die samen lichter zijn dan de twee uitgangskernen voor de reactie. De afname van de totale massa gaat gepaard met een grote bewegingsenergie van de ontstane fusieproducten. Massa is dan omgezet in energie volgens Einsteins formule E=mc2. De bewegingsenergie verhit vervolgens water tot stoom. Een grote dynamo zet daarna op de klassieke manier warmte-energie om in eerst mechanische bewegingsenergie en vervolgens elektrische energie. En voilà, klaar is de kernfusiecentrale die alle huishoudens van stroom voorziet.

De brandstoffen van het fusieproces zijn twee waterstofisotopen, deuterium en tritium. Deuterium wordt eenvoudig uit zeewater gewonnen, tritium kan gemaakt worden uit het overvloedig beschikbare metaal lithium, bekend van de lithiumbatterij. De brandstof is daarmee in overvloed aanwezig en voor iedereen toegankelijk. De fusieproducten zijn het onschadelijke helium en een hoogenergetisch neutron dat voor de noodzakelijke energieomzetting wordt gebruikt.

Tritium fuseert met deuterium tot helium. Daarbij komt een hoop energie vrij, maar er moet eerst energie in om de twee waterstof-isotopen tegen elkaar aan te dwingen.

De energie is bovendien schoon: er komen geen broeikasgassen vrij, en de brandstoffen en fusieproducten zijn niet radioactief. De delen van de reactorstructuur die wel radioactief worden door de bestraling met neutronen, zijn na zo’n vijftig tot honderd jaar weer geschikt voor hergebruik. Na die afkoelperiode is het afval qua radioactiviteit vergelijkbaar met de as van een kolencentrale: zo’n tienduizend maal lager dan kernsplijtingsafval.

Maar de fusiepraktijk is weerbarstig. Twee atoomkernen kruipen niet zomaar dicht bij elkaar. Ze hebben allebei een positieve lading, zodat ze elkaar afstoten. Om energie uit fusie te winnen is daarom eerst veel, heel veel energie nodig. In de praktijk betekent dat temperaturen van meer dan honderd miljoen graden Celsius. Bij deze bizar hoge temperaturen bevindt materie zich in een toestand die plasma heet, ook wel de vierde aggregatietoestand genoemd naast de fasen vast, vloeibaar en gas. Alledaagse plasma’s vinden we bijvoorbeeld in een bliksemflits, in neonlichtreclame en

Toegepast en fundamenteel

De plasmaonderzoeksgemeenschap verwacht binnenkort eindelijk het verlossende jawoord voor de volgende stap op weg naar commerciële kernfusie. Prof. dr. Niek Lopes Cardozo, hoofd van het Nederlandse kernfusieonderzoek en werkzaam bij het FOM-instituut voor plasmafysica (Rijnhuizen) in Nieuwegein: “Het eerste ITER-ontwerp dateert al van 1988. We wachten nu al meer dan tien jaar tot de politiek eindelijk een beslissing neemt.”

De bouw van de nieuwe kernfusiereactor gaat vijf miljard euro kosten. “Dat lijkt duur”, zegt Lopes Cardozo, “maar het is ook weer niet zó duur. Een project als de Betuwelijn gaat nu zo’n 4,5 miljard euro kosten, om nog maar te zwijgen over de Joint Strike Fighters, die Nederland aanschaft. Van ITER betaalt Nederland maar hoogstens een paar procent, omdat het een internationaal samenwerkingsproject is.” EU-landen betalen het leeuwendeel, zo’n vijftig tot zestig procent. Het overige deel komt voor rekening van Canada, Japan, Rusland, China en de VS. Die laatste twee landen hebben pas begin dit jaar aangegeven mee te doen aan ITER. De VS waren in 1998 uit het internationale samenwerkingsproject gestapt, maar hebben nu besloten toch weer mee te doen. China is voor het eerst van de partij.

De kosten van de bouw zijn trouwens vergelijkbaar met die voor de bouw van de nieuwe deeltjesversneller LHC (Large Hadron Collider) bij CERN in Genève. En daar gaat het alleen om fundamenteel natuurkundig onderzoek. “Het lijkt wel of er minder vragen over de kosten worden gesteld als het alleen gaat om fundamenteel onderzoek, dan over onderzoek dat zowel toegepast als fundamenteel is, zoals kernfusie”, zegt natuurkundige dr. ir. Marc Beurskens, een gepromoveerd fusieonderzoeker die tot voor kort werkzaam was bij de grootste huidige fusiereactor, de Joint European Torus (JET) in Engeland.

Koudst en heetst ineen

ITER is het geplande voorportaal voor commerciële kernfusie. Voornaamste doel is het aantonen van een lange aaneengesloten periode van fusievermogen uit een plasma van de waterstofisotopen deuterium en tritium. Het nieuwe fusieparadepaard is ontworpen om tienmaal zoveel vermogen op te leveren als er wordt ingestopt aan plasmaverhitting. Het geplande fusievermogen ligt rond de vijfhonderd megawatt, ongeveer eenzesde van wat een standaard elektriciteitscentrale heden ten dage aan thermisch vermogen nodig heeft om een gigawatt elektrisch vermogen te produceren. Voor het opwekken van een gigawatt aan elektrisch vermogen is ITER echter nog steeds te klein. Ruwweg neemt het fusievermogen toe met het plasmavolume. Een tweemaal zo grote tokamak levert dus een achtmaal zo hoog fusievermogen. ITER meet straks 24 meter hoog bij 30 meter breed. Schaalvergroting biedt belangrijke voordelen bij een plasma: hoe groter het plasma, hoe langer de tijdschalen en hoe minder snel je het plasma moet bijsturen.

De nieuwe reactor zal een aantal noviteiten bevatten. Alhoewel twee kleine experimentele fusieopstellingen nu al supergeleidende spoelen gebruiken, wordt ITER de eerste fusiereactor van energiecentraleformaat met supergeleidende spoelen. Die gaan ervoor zorgen dat het noodzakelijke magneetveld langer in stand wordt gehouden. Zo komen straks in één apparaat de hoogste en de laagste temperaturen op aarde broederlijk bij elkaar: honderd miljoen graden Celsius in het plasma, en een paar graden boven het absolute nulpunt voor de supergeleidende spoelen. De kosten van een fusiereactor zitten voor dertig tot veertig procent in de supergeleidende spoelen. Het zal de producent van de supergeleidende spoelen nog heel wat overuren kosten om zoveel supergeleidend materiaal op tijd af te leveren voor deze megaopdracht.

Een andere nieuw aspect zit in de praktische energieomzetting. Huidige testreactoren hebben nog nooit de omzetting van de bewegingsenergie van de vrijkomende neutronen naar tot stoom verhit water getest. ITER gaat daarom voor het eerst diverse mantelmodules testen, die voor deze omzetting zorgen.

Parallel aan het ITER-onderzoek zal bovendien een materiaalonderzoeksprogramma lopen, gericht op het ontwikkelen van materialen die de enorme stroom hoogenergetische neutronen, afkomstig van de fusiereacties, kunnen weerstaan. Een andere eis aan dergelijke wandmaterialen is dat de radioactiviteit die door de neutronenbestraling ontstaat, weer zo snel mogelijk verdwijnt. Bovendien moeten de materialen van de wand hittebestendig zijn. De energie die op de binnenwand valt is gigantisch: zo’n tien megawatt per vierkante meter.

Omdat de binnenkant van de tokamak langzaam radioactief wordt, zullen robots in plaats van mensen alle benodigde reparatie- en onderhoudswerkzaamheden verrichten. “Nu al worden bij JET 99% van alle benodigde taken, zoals het vervangen van koolstoftegels, uitgevoerd door robots”, zegt Beurskens. “Twee jaar geleden vervingen robots al eens het hele interieur van JET. ‘Remote handling’ is een geheel eigen onderzoeksprogramma geworden.” De radioactiviteit van de binnenwand valt echter in het niet bij de radioactiviteit die een kernsplijtingcentrale overhoudt.

Heet, heter, heetst

Het bereiken van hoge plasmatemperaturen gebeurt door een combinatie van drie methoden. Allereerst via ohmse verhitting. Het plasma fungeert zelf als secundaire wikkeling van een transformator. Stroompulsen door de primaire wikkeling van de transformator wekken namelijk een

Ingenieurs gevraagd

De conventionele fusieroute zou over tien jaar moeten leiden tot een voltooide ITER-reactor en over 25 jaar tot een demonstratiereactor. De demonstratiereactor moet een fusievermogen leveren van twee gigawatt, netto elektriciteit opleveren en een hoge betrouwbaarheid van operatie kennen. Over veertig jaar is vervolgens een prototype commerciële fusie-energiecentrale gepland met een netto elektriciteitsvermogen van anderhalve gigawatt. Uiteindelijk moeten deze stappen over vijftig jaar tot grootschalige commerciële toepassing leiden. Er zijn ook plannen ontwikkeld voor een snellere route tot commerciële fusie. ITER zou dan al enkele demonstratietest moeten uitvoeren, en de prototype reactor zou dan een ander deel van de demonstratietests kunnen uitvoeren. “Fusie zal er zijn wanneer de maatschappij het nodig heeft”, zo zei het voormalige hoofd van het Russische fusieonderzoek Lev Artsimovich dertig jaar geleden.

Als ITER wordt gebouwd, zijn er ineens veel meer ingenieurs en projectmanagers nodig. “Dat heeft nog lang niet iedereen binnen de fusiegemeenschap zich gerealiseerd”, zegt Lopes Cardozo. “Tachtig procent van het budget gaat straks naar de industrie, en niet naar fundamentele onderzoekers. Dat is een logische ontwikkeling. Maar we moeten wel fundamenteel onderzoek blijven doen, want anders vertrekken wetenschappers en komt de fusie-expertise in gevaar.”

Een vaak gehoord tegenargument is dat wetenschappers al decennialang gouden bergen zouden beloven voor commerciële kernfusie. Lopes Cardozo ergert zich zichtbaar aan dit steeds terugkerende verwijt. “Het is gewoon onwaar. De in 1974 gestelde doelen van JET, bijvoorbeeld, zijn steeds op tijd gehaald. De behaalde fusievermogens zijn in dertig jaar exponentieel gestegen. Maar de realisering van commerciële kernfusie is nu eenmaal een project van de lange adem. Wetenschappers en technici hebben het in de jaren negentig goed gedaan. Alleen politiek is er vertraging ontstaan. Technisch gezien kan er over 25 jaar een prototype staan. Maar als die er niet staat door politieke onwil, dan ligt de schuld straks niet bij de wetenschappers en technici.”

Een energieproject van de lange adem zoals kernfusie, kan niet heen om een kort historisch overzicht.

De enorme potentie van kernfusie ligt verscholen in Einsteins beroemde vergelijking E=mc2 uit 1905: een kleine hoeveelheid massa kan een enorme hoeveelheid energie opleveren. In 1920 beredeneert astronoom Arthur Eddington dat kernfusie van waterstof tot helium de energiebron van de zon is. Eind jaren dertig wordt er voor het eerst gedacht aan aardse kernfusie als energiebron. Aan het eind van de Tweede Wereldoorlog wordt ook in Los Alamos, waar destijds de eerste atoombom werd ontwikkeld, al intern gediscussieerd over energie uit fusie.

Maar het zou tot 1958 duren voordat op de ‘Conference on the peaceful uses of atomic energy’ in Genève het kernfusie-idee voor het eerst openbaar ter tafel komt. De eerste belangrijke stap op weg naar de technische realisering van kernfusie vindt plaats wanneer Russische onderzoekers in 1959 een technische concept ontwikkelen voor de magnetische opsluiting van een plasma. Ze noemen hun ontwerp ‘tokamak’, Russisch voor toroïdale magnetische kamer. De eerste tokamakschetsen staan al in de gepubliceerde dagboeken van Andrej Sacharov, de kernfysicus en latere dissident en Nobelprijswinnaar voor de Vrede. Dit ontwerp vormt de basis van de meeste huidige fusiereactoren.

De deelnemers aan een conferentie in Novosibirsk denken in 1968 voor het eerst serieus na over fusiereactorontwikkeling. Vóór deze tijd werkten de wetenschappers voornamelijk aan de fysica van plasma’s. Begin jaren zeventig start een concreet driestappenplan: een onderzoek naar de wetenschappelijke, technische en commerciële haalbaarheid. Zowel de VS als Europa, Japan en de Sovjet-Unie besluiten hierna hun eigen tokamak te bouwen. In 1976 start de VS met de bouw van hun TFTR-tokamak. In 1978 begint Europa met de bouw van de Joint European Torus, JET, in Culham (nabij Oxford), Engeland. In de jaren zeventig koppelen wetenschappers voor het eerst de diverse plasmaparameters aan elkaar. Hiermee kunnen ze behaalde fusievermogens voorspellen aan de hand van de ontwerpparameters van de reactor.

Binnenkant van JET met onderhoudsmonteur.

De jaren tachtig kenmerken zich globaal door de eerste experimenten met grote tokamaks, onder andere in de VS, Europa, de Sovjet-Unie en Japan. Tussen 1983 en 1992 ligt de eerste fase van de JET-operatie. In 1987 bereiken de VS, de toenmalige Sovjet Unie, de EU en Japan het eerste ITER-accoord. Tot een definitief besluit komt het niet. Het oorspronkelijke ontwerp wordt vervolgens afgezwakt tot minder ambitieuze doelen.

Belangrijkste ontwikkelingen in de jaren negentig zijn de technische realisering van lokale verhitting en een lokaal begrip van de turbulente structuren in een plasma. Beide maken chirurgische ingrepen in een plasma mogelijk, wat noodzakelijk blijkt voor het optimaliseren van het sterk niet-lineaire plasma. In 1991 realiseert JET de eerste gecontroleerde opwekking van fusievermogen. In 1994 start JET haar tweede operatiefase, met als hoogtepunt het behalen van het wereldrecord fusievermogen in 1997: zestien megawatt gedurende ruim een seconde, met deuterium-tritiumreactie. JET is echter nog te klein om meer energie op te leveren dan erin wordt gestopt. Er gaat nu 33% meer energie in dan eruitkomt. De Amerikaanse TFTR-reactor in Princeton behaalt in 1994 10,7 megawatt fusievermogen. In 1998 trekt de VS zich terug uit ITER, een dieptepunt in het internationale fusieonderzoek.

Het jaar 2003 moet een nieuwe start betekenen. De VS besluiten dat ze weer meedoen aan ITER. Daarnaast geeft China aan dat het ook wil meedoen. Halverwege 2003 moet het besluit vallen waar ITER wordt gebouwd. Vier plaatsen zijn kandidaat: Cadarache in Zuid-Frankrijk, Vandellos nabij Barcelona in Spanje, Rokkasho in Japan en Clarington in Canada. Het huidige ITER-ontwerp dateert van 2001.

Het fusieverhaal met zijn schone energie en in overvloed aanwezige brandstof klinkt aanlokkelijk, maar kunnen we niet toe met wind- en zonne-energie? Dr. ir. Mark-Tiele Westra, persvoorlichter bij het Instituut voor Plasmafysica: “Die vraag krijgen we vaak te horen. Het antwoord is dat we een energiemix nodig hebben. Ook wij zijn erg voor wind- en zonne-energie, maar het is de vraag of we het alleen daarmee redden. De verwachting is dat we rond 2100 wereldwijd ongeveer drie tot vier keer zoveel energie gebruiken als we nu doen, vooral ten gevolge van de bevolkingstoename en van de economische ontwikkeling van landen als China en India. Bovendien staan klimaatverandering en milieuschade, maar ook de afhankelijkheid van energieleveranties uit het buitenland steeds hoger op de wereldwijde politieke agenda.”

“Er staat zo veel op het spel dat het lichtzinnig zou zijn om niet alle mogelijke energiebronnen te ontwikkelen en in te zetten”, vervolgt Westra. “De verwachte toename in het energieverbruik is zo groot dat dat lang niet met alleen duurzame bronnen als zon, wind en biomassa gedekt kan worden. Door fusie alleen ook niet trouwens. Ze hebben elkaar nodig. Fusie is geschikt om de basisenergie te leveren, en op die manier in een energiemix de andere duurzame bronnen aan te vullen. Fusie-energie is dus beslist geen concurrent van zonne- en windenergie. We moeten bovendien niet vergeten dat de elektriciteit die we gebruiken ongeveer dertig procent van ons totale energieverbruik is. Dus zelfs al zouden de duurzame bronnen onze hele elektriciteitsbehoefte dekken, dan nog moet zeventig procent van de energie op een andere manier worden opgewekt.”

Westra: “Fusie bedient bovendien een ander deel van de energiemarkt: fusie-energie uit centrales van één of twee gigawatt is geschikt als basisvoorziening in grote steden, en in gebieden met veel industrie. Een karakteristiek van de meeste duurzame energiebronnen is dat de energie erg ‘uitgesmeerd’ is: om een één-gigawattcentrale te vervangen zijn honderd vierkante kilometer zonnecellen (in West-Europa), of ongeveer 1500 windmolens van twee megawatt nodig. Voor sommige toepassingen is een dergelijke decentrale opwekking geen probleem, maar voor andere toepassingen is een centrale grootschalige energieopwekking handiger.”

Voor het aan de gang houden van een elektriciteitscentrale van een gigawatt is 2,3 miljard kilogram steenkool nodig, of 1,8 miljard kubieke meter gas. Daarbij komt dan respectievelijk 7,2 en 3,6 miljard kilogram koolstofdioxide vrij. Fusie zou toekunnen met honderd kilogram deuterium en honderdvijftig kilogram tritium. De brandstof voor kernfusie kost nauwelijks iets, maar dat wil niet zeggen dat de elektriciteit ook goedkoop wordt. Naar verwachting zal de prijs van fusie-elektriciteit ongeveer twee- tot driemaal de prijs van de huidige elektriciteit worden: tussen 0,05 en 0,10 euro per kilowattuur. Die kosten worden bepaald door de bouw van de centrale, het gebruik tijdens de levensduur, de brandstof, en de uiteindelijke afbraak van de fusiecentrale. De uiteindelijke kostprijs is vergelijkbaar als de prijs die wordt verwacht voor elektriciteit uit zonne- en windenergie. Kortom, fusie-energie wordt waarschijnlijk even duur als andere vormen van schone energie. Maar het bestaat nog niet, dus precieze berekeningen zijn onmogelijk. Wat kosten betreft kan momenteel niets concurreren met gas en steenkool.

Zowel vanuit praktisch als vanuit fundamenteel oogpunt is het belangrijk te weten hoe een plasma zich op microseconde- en millimeterschalen gedraagt. Die informatie is nodig om het plasma voortdurend bij te sturen met lokale verhittingsmethoden. Meten aan een ultraheet plasma gebeurt op twee manieren: passief en actief. Bij de passieve methode wordt de straling gemeten die het plasma van zichzelf uitzendt. De geladen plasmadeeltjes volgen voortdurend schroefvormige banen rond magnetische veldlijnen, en zenden daarbij straling uit. Hoe hoger de plasmatemperatuur, hoe harder de deeltjes bewegen, en hoe intenser de uitgezonden straling.

De gebogen veldlijnen in de reactor zijn opgebouwd uit een veld door de torus en een dat loodrecht op dat eerste staat. Geladen deeltjes in het plasma worden in een soort kurketrekker-baan gedwongen.

Bij de actieve methode wordt een laserbundel het plasma ingestuurd. Als het licht vervolgens tegen een elektron botst, wordt het verstrooid. De golflengte van het verstrooide licht hangt af van de richting waarin het elektron beweegt ten opzichte van de laserstraal. Dit is het Dopplereffect voor licht. Analoog zorgt dit effect er bij geluid voor dat de toonhoogte van een naderende trein hoger is dan die van een zich verwijderende trein. Bij het verstrooide laserlicht gebeurt iets soortgelijks. Als de temperatuur laag is, bewegen de elektronen niet hard, en is het Dopplereffect gering. Hoe hoger de snelheden van de elektronen, hoe groter het Dopplereffect en hoe meer de uitgezonden golflengten verschillen. De golflengten van het verstrooide licht zijn een maat voor de temperatuur. Daarnaast volgt uit deze methode ook de elektronendichtheid. Hoe dichter de elektronen bij elkaar zitten, hoe sterker de verstrooiing van de laserbundel. Een alternatieve actieve methode gebruikt microgolfstraling in plaats van laserlicht.

Gegevens van ITER

Totale hoogte: 24 meter Totale doorsnede: 30 meter

Plasmastroom: 15 – 17 mega-ampère Hoofdstraal tokamak: 6,2 meter plasmastraal: 2,0 meter toroïdaal magneetveld op de as: 5,3 tesla Levensduur plasma: 500 tot 1000 seconden Energievermenigvuldigingsfactor: 10 Nominaal fusievermogen: 500 – 700 megawatt

Bouwkosten: 5 miljard euro

Meer weten over Bennie Mols:

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 november 2003

Discussieer mee

0

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

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.