Heeft de kernfusiereactor de toekomst?

Al sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw bestaat het idee dat het opwekken van energie uit kernfusie een veelbelovende manier zou kunnen zijn om in de toekomst op een schone manier energie te produceren. Er is daarom op internationale schaal veel onderzoek gedaan naar kernfusie. Door de enorme vooruitgang in de technische mogelijkheden en de groeiende rekencapaciteit van computers is er steeds meer kennis gekomen over de processen die spelen bij kernfusie en over hoe je daadwerkelijk een kernfusiereactor kunt bouwen.

Kernfusiereactor ITER

Op dit moment is een geavanceerde proefversie van een kernfusiereactor in aanbouw, ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Deze reactor staat in Cadarache in Zuid-Frankrijk. Het zal de eerste kernfusiereactor zijn die meer energie oplevert dan nodig is om het fusieplasma te verhitten en te controleren.

De planning is dat de reactor rond 2025 klaar is. Deze kernfusiereactor zal alleen gebruikt worden voor onderzoek. Pas later, naar verwachting in 2050, zal de eerste demonstratie fusie-energiecentrale DEMO gebouwd worden, waarmee elektriciteit voor het net kan worden opgewekt.

Wat is een kernfusiereactor?

Maar wat is een kernfusiereactor? Een kernfusiereactor maakt energie vrij bij het samensmelten, ook wel fuseren genoemd, van atoomkernen. Dit fusieproces speelt zich ook af in de zon. De energie die vrijkomt bij het samensmelten van atoomkernen kun je gebruiken om elektriciteit mee op te wekken. Maar om de atoomkernen zo ver te krijgen dat ze samensmelten, moet er eerst veel gebeuren.

Elektrische kracht overwinnen

Normaal gesproken stoten atoomkernen elkaar af, omdat ze positief geladen zijn. Atoomkernen kunnen pas samensmelten als ze zo dicht bij elkaar komen, dat de sterke kernkracht deze elektrische (afstotende) kracht overwint. Dit kan alleen als je de stoffen die je wilt laten samensmelten verhit tot extreem hoge temperaturen.

Ontstaan plasma

Voor de kernfusiereactor ITER gebruiken ze deuterium en tritium, twee isotopen van waterstof. In de fusiereactor worden deuterium en tritium verhit tot extreem hoge temperaturen. Je moet dan denken aan temperaturen van zo’n 150 miljoen graden Celsius. Het verhitten gebeurt op drie manieren, namelijk door:

1. met transformatoren stroom door het plasma te laten lopen;
2. elektromagnetische straling te gebruiken (principe van de magnetron) met dezelfde frequentie als waarmee de elektronen of ionen om de magnetische veldlijn cirkelen;
3. bundels snel bewegende neutrale atomen (deuterium) in te schieten voor wrijvingswarmte.

Door de hoge temperatuur gaan de moleculen van deuterium en tritium van de gasfase over in een mengsel van vrij door elkaar bewegende atoomkernen en elektronen. Dit noem je een plasma. Als je dit plasma heet genoeg maakt, dan bewegen de atoomkernen zo hard, dat ze heel dicht bij elkaar kunnen komen. Door de sterke kernkracht kunnen ze dan samensmelten. Hierbij ontstaan helium en een neutron en er komt energie bij vrij.

Als het plasma eenmaal de fusiecondities haalt, produceert het energie in de vorm van snelle heliumkernen en neutronen: hitte. Die snelle deeltjes kunnen de ideale plasmacondities verstoren. Om dat tegen te gaan zijn altijd controlesystemen nodig die energie het plasma in sturen. Als er meer energie uit het plasma komt dan nodig is voor die controlesystemen, wekt de reactor netto energie op.

Voordelen kernfusiereactor

Het voordeel van energie opwekken met kernfusie is dat zo'n centrale geen CO₂ uitstoot, ruim voorradige grondstoffen gebruikt en bij het fusieproces geen radioactieve producten produceert. Er is wel wat radioactief afval, de materialen van de wand worden radioactief door de inslag van neutronen, maar dit afval heeft een relatief korte halfwaardetijd en is na circa 100 tot 150 jaar weer onder de veiligheidslimiet. Ook is kernfusie een stabiel proces, waardoor het niet uit de hand kan lopen zoals bij kernsplijting. Dat klinkt allemaal mooi, maar waarom zijn er dan nog geen werkende centrales?

Extreem gecompliceerd

Dat komt omdat het onderzoek naar de toepassing van kernfusie en het ontwerpen en bouwen van een kernfusiecentrale extreem gecompliceerd zijn en veel tijd kosten. Professor Marco de Baar en Thomas Morgan werken beide als onderzoeker bij het instituut DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) in Eindhoven. Ze leggen uit waarom het zo complex is. Marco de Baar: “Allereerst is het natuurlijk heel lastig om de omstandigheden te bereiken waarbij kernfusie plaatsvindt. Je moet de stoffen die je wilt laten samensmelten opwarmen tot extreem hoge temperaturen, zodat ze een plasma vormen. Het liefst wil je dit plasma op temperatuur houden, zonder hier al te veel energie voor te gebruiken. Bovendien moet je er ook voor zorgen dat het apparaat waarin je dit hete plasma maakt tegen deze hoge temperaturen bestand is. Dat is een flinke uitdaging.”

Magnetische opsluiting

Om te voorkomen dat het hete plasma de relatief koude wand van de kernfusiereactor raakt en daardoor zijn warmte verliest, kun je gebruikmaken van magnetische opsluiting. Je maakt als het ware een kooi van magnetische veldlijnen die de geladen deeltjes opgesloten houdt. Dit is ook wat ze doen bij ITER. Door een sterk magneetveld aan te brengen, dwing je de geladen deeltjes om langs de magnetische veldlijnen te bewegen. Zo zorg je ervoor dat de deeltjes in een bepaald gebied opgesloten blijven. Het ontwerp van ITER heet een Tokamak, een donutvormige magnetische kamer, waarin het plasma opgesloten wordt.

Energieopwekking

Met deze magnetische kooi kun je echter niet alle deeltjes opsluiten. Bij het fuseren van de atoomkernen ontstaan ook neutronen, ongeladen deeltjes, die zich niet door de magneetvelden laten bedwingen. Deze deeltjes gaan alle kanten op en raken overal de wand van de reactor. Door de inslag van al deze neutronen warmt de wand van de reactor op. In de DEMO-reactor zal de reactorwand gekoeld worden en wordt hiermee via een turbine warmte omgezet in elektriciteit. Hierdoor wordt energie opgewekt.

Afvoergoot

Belangrijk is dat je het helium dat ontstaat bij de fusiereactie wel afvoert, omdat dit het plasma vervuilt. Daarom is de magneetkooi van ITER zo ontworpen, dat de veldlijnen in de buitenste laag geen gesloten oppervlak meer vormen, maar uitkomen in een soort afvoergoot, de divertor.

Als de geladen plasmadeeltjes (helium, deuterium en tritium) in de buitenste schil van de magneetkooi terechtkomen, volgen ze vanzelf de veldlijnen naar deze divertor. Door koeling van de afvoergoot, gaan de afgevoerde helium-, deuterium- en tritiumdeeltjes weer over in de gasvorm. Nadat de gassen gescheiden zijn, gaan deuterium en tritium als brandstof terug in het proces en wordt helium afgevoerd.

Wand van wolfraam

De deeltjes die via de divertor de magneetkooi verlaten, zorgen ervoor dat de divertorwand het flink te verduren heeft. Deze deeltjes bestoken de divertorwand met wel 10²⁴ deeltjesinslagen per vierkante meter per seconde. Dat zijn honderdduizend deeltjesinslagen per seconde bij elk atoom dat aan het oppervlak van de reactorwand zit. Er is daarom bij de keuze van het wandmateriaal gekeken welk materiaal hiervoor het minst gevoelig leek. Ook moet de wand een hitte van meer dan 10 MW per vierkante meter aankunnen. Dit kun je vergelijken met de condities in een lasvlam of aan de oppervlakte van de zon. De keuze bij het ITER-project viel op wolfraam, omdat dit materiaal een erg hoog smeltpunt heeft (3500 graden Celsius), een goede warmtegeleiding heeft en een hoog massagetal heeft. Dit laatste zorgt ervoor dat de relatief lichte deeltjes die ontstaan bij kernfusie niet zo gemakkelijk wolfraamatomen losmaken uit het rooster. Vergelijk het maar met het beschadigen van een bowlingbal door hier een pingpongbal tegenaan te gooien. Dat lukt ook niet zomaar.

Tripelproduct

Helaas is het niet zo dat het plasma zich ideaal gedraagt bij magnetische opsluiting. Als maat voor hoe goed een fusiereactor presteert, gebruiken onderzoekers het Tripelproduct:

$n\cdot \tau_{E}\cdot T$

Hierbij staat n voor de deeltjesdichtheid, $\tau_E$  voor de tijd dat warmte wordt vastgehouden in het plasma en T voor de plasmatemperatuur. Hoe hoger het Tripelproduct is, hoe beter de fusiereactor presteert. Het punt waarbij het Tripelproduct zo groot is dat je evenveel energie opwekt als er nodig is om het te verwarmen, noem je het break-even point. Thomas Morgan licht toe: "In ITER betekent dat een temperatuur boven de 150 miljoen graden Celsius, een dichtheid van 5x10¹⁹ per kubieke meter en zorgen dat de geproduceerde warmte langer dan 5 seconde blijft opgesloten." Na al die enorme getallen is het bijna een opluchting om te horen dat de druk in de fusiereactor ongeveer één atmosfeer is. “Wat het moeilijk maakt om het Tripelproduct groter te krijgen,” legt Marco de Baar uit, ”is de tweede grootheid: $\tau_E$ . De tijd dat warmte wordt vastgehouden, wordt namelijk beperkt doordat er warmteverliezen zijn door turbulentie en door magnetisch dynamische instabiliteit. Het onderzoek dat ik bij DIFFER uitvoer, richt zich vooral op deze verstoringen in het plasma. Ik probeer erachter te komen hoe je deze verstoringen kunt controleren en beperken.”

Warmteverliezen door verstoringen
Turbulentie kun je zien als verstoringen in de stroming (werveling) van het plasma. Het zijn eigenlijk afwijkingen van de ideale gladde plasmacondities waarbij deeltjes keurig blijven waar de magnetische veldlijnen het hete plasma bijeenhoudt. Door deze verstoringen in de stroming kunnen hete deeltjes sneller ontsnappen uit het plasma, waardoor warmteverlies optreedt. Ook instabiliteit van de magneetvelden kan het plasma verstoren. Er kunnen trillingen ontstaan in het magneetveld, waardoor de magnetische veldlijnen minder grip hebben op de ionen. Dat beïnvloedt de magnetische opsluiting. Ook kunnen magnetische veldlijnen zo met zichzelf in de knoop raken, dat er een gebiedje in het plasma ontstaat, dat geen contact meer heeft met de rest van het plasma. Dit noem je een magnetisch eiland. In dit gebiedje bouwt de fusie-energie zich dan op, totdat deze in één klap naar buiten komt. Dit noem je een ELM (Edge Localized Mode). Dit verschijnsel is vergelijkbaar met een zonnevlam op de zon.

Onderzoek aan de afvoergoot

Thomas Morgan richt zich met zijn groep vooral op het onderzoeken hoe de afvoergoot, de divertor, zich zal houden onder de extreme omstandigheden in de ITER-reactor. Hiervoor is in Eindhoven een 15 meter lange proefopstelling gebouwd, de Magnum-PSI.

In deze proefopstelling kunnen ze onderdelen van ITER op ware grootte testen. “Onze opstelling is uniek in de wereld. Nergens anders kunnen we de omstandigheden van ITER zo goed nabootsen,” vertelt Thomas Morgan. “Het is geen opstelling in donutvorm, zoals de Tokamak, maar een rechte plasmabundel. Hiermee kun je als het ware de laatste paar meters nabootsen die de deeltjes afleggen voor ze de divertor raken. In de opstelling hebben we een zelfde onderdeel van wolfraam getest, dat straks in ITER zit. We hebben gekeken wat er met dit onderdeel gebeurt als het een jaar lang gebruikt wordt in de ITER-reactor. ITER zal ook niet voltijds in gebruik zijn, omdat de kernfusiereactor steeds een aantal kortdurende experimenten zal uitvoeren en dan weer een tijdje stilstaat of in onderhoud is.

Om de jaarblootstelling te halen, hebben we een 18 uur durende test gedaan, waarbij we een tien keer hogere deeltjesstroom hebben gebruikt dan bij ITER het geval is.” De lange duur van de test was nu pas mogelijk, omdat ze bij DIFFER sinds 2017 over supergeleidende magneten beschikken om hun plasmabundel bijeen te houden, die geen last hebben van oververhitting. “Nu zijn we aan het onderzoeken wat er gebeurd is met het wolfraamonderdeel dat we getest hebben,” vertelt Thomas Morgan.

Aantasting oppervlak testonderdeel

“Wat we willen weten is of het oppervlak van het wolfraamtestonderdeel is aangetast. Zijn er stukjes af? Wordt het materiaal bros? Zijn er misschien brandstofdeeltjes (tritium) tussen de wolfraamatomen terechtgekomen? En zijn de eigenschappen voor warmtegeleiding nog hetzelfde?” legt Thomas Morgan uit. “Wat je niet wilt, is dat de eigenschappen van de wolfraamwand veranderen. Dat kan ertoe leiden dat er fouten in de reactor optreden en de reactor moet worden stilgelegd.” Het onderzoek aan de geteste onderdelen duurt naar verwachting ongeveer een half jaar.

DEMO-kernfusiereactor

In de kernfusiecentrale DEMO die na ITER gebouwd gaat worden, zal nog meer energie opgewekt gaan worden dan in ITER. Dit betekent meer deeltjesinslagen en een hogere warmteafvoer. Dan zou wolfraam misschien niet meer het meest geschikte materiaal zijn voor de wand. Er zijn plannen om te kijken naar een wand van vloeibaar metaal, die in een sponsachtige structuur vastgehouden wordt. Ook hier doen ze in Eindhoven onderzoek naar.

Toekomstige energievoorziening

Er is nog veel onderzoek nodig om te komen tot een goed werkende kernfusiereactor voor onze energievoorziening. Marco de Baar en Thomas Morgan werken allebei met veel enthousiasme aan het internationale onderzoek voor ITER bij het instituut DIFFER. Ze hopen hiermee een bijdrage te leveren aan het ontwikkelen van een schonere energieopwekking in de toekomst.