De lange adem van kernfusie - Natuurwetenschap in het Nieuws

De lange adem van kernfusie
Natuurwetenschap & Techniek, november 2003
Europese onderzoekers staan te popelen, de VS zien het weer zitten, en ook China wil nu meedoen. De
bouwtekeningen liggen al een decennium klaar, maar nog altijd heeft de politiek niet besloten waar
kernfusiereactor ITER zou moeten komen. Het moet de eerste kernfusiecentrale worden die ook
daadwerkelijk energie levert.
In 2003 had het internationale kernfusieonderzoek een versnelde doorstart moeten maken. Inmiddels is het de
vraag of dit jaar nog het besluit valt over waar het nieuwste kernfusie-paradepaard ITER, de International Tokamak
Experimental Reactor, zou moeten komen. Vier plaatsen zijn kandidaat: Cadarache nabij Marseille in ZuidFrankrijk, Van-dellos nabij Barcelona in Spanje, Rokkasho in Japan en Clarington in Canada. Europa lijkt de beste
papieren te hebben, ook al omdat het vijftig tot zestig procent van de kosten voor haar rekening neemt.
Op 23 september zou de Europese raad van ministers een beslissing nemen over welke van de twee eigen plekken
Europa als uiteindelijke kandidaat voordraagt. Maar omdat het rapport van onafhankelijke experts zowel de
Spaanse als de Franse locatie geschikt acht, heeft de raad van ministers besloten de beslissing uit te stellen tot de
zitting van m november. De hoop is dat Frankrijk en Spanje er in de tussentijd onderling uitkomen.
Het huidige ITER-ontwerp dateert van 2001, maar het allereerste ontwerp rolde al in 1988 van de tekentafel.
Politieke vertraging heeft de daadwerkelijke bouw al meer dan een decennium uitgesteld. Dit jaar zijn er eindelijk
weer positieve geluiden. Begin dit jaar gaf de VS, na een periode van afwezigheid sinds 1998, aan dat ze weer
meedoen. China heeft aangegeven voor het eerst mee te willen doen.
Nog vijftig jaar
ITER is het geplande voorportaal voor commerciële kernfusie, die er op zijn vroegst over zo'n vijftig jaar is.
Voornaamste doel van de centrale is het realiseren van een lange aaneengesloten periode van fusievermogen uit een
plasma van de waterstofisotopen deuterium en tritium. Deze fusiebrandstof is in overvloed aanwezig en voor
iedereen toegankelijk. Deuterium wordt eenvoudig uit zeewater gewonnen, tritium kan gemaakt worden uit het
overvloedig beschikbare metaal lithium, bekend van de lithiumbatterij.
Bij elke fusiereactie tussen een deuterium- en een tritiumkern ontstaan een heliumkern en een neutron die samen
lichter zijn dan de twee uitgangskernen. De afname van de totale massa komt ten goede aan de bewegingsenergie
van de ontstane fusieproducten. Massa is omgezet in energie.
De bewegingsenergie van de neutronen 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. De
opgewekte energie is schoon: er komen geen broeikasgassen vrij, en de brandstoffen en fusieproducten zijn niet
radioactief. Het nieuwe fusieparadepaard ITER is ontworpen om tienmaal zoveel vermogen op te leveren als er
wordt ingestopt aan plasmaverhitting. Ter vergelijking: bij de Joint European Torus (JET) in Engeland, momenteel
de grootste fusiereactor, gaat er 33% meer energie in dan er uitkomt. JET is te klein om meer energie op te leveren
dan erin wordt gestopt.
Het geplande fusievermogen van ITER 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 ook nog steeds te klein. ITER
meet straks 24 meter hoog en 30 meter breed. Het fusievermogen neemt toe met het plasmavolume. Een tweemaal
zo grote tokamak levert een achtmaal zo hoog fusievermogen.
Warmer dan de Zon
De fysische en technische uitdagingen van kernfusie zijn enorm. Hoe verhit je het plasma tot de extreme
temperaturen die nodig zijn? Hoe sluit je een geladen-deeltjessoep van honderd miljoen graden Celsius op? Geen
materiaal weerstaat die verzengende hitte. En hoe maak je een zodanig plasma dat het zo min mogelijk warmte
verliest via de wanden? En hoc verricht je metingen in die hitte?
Stukje bij beetje hebben wetenschappers en ingenieurs sinds eind jaren vijftig oplossingen gevonden voor de
talrijke problemen. Magnetische plasmaopsluiting in een tokamak, een Russische uitvinding, bleek zeer succesvol.
In de jaren zeventig en tachtig bouwden diverse landen experimentele tokamakreactoren.
In die reactoren omringen grote spoelen Je tokamak. Zij houden het ultrahete plasma met sterke magneetvelden
van de wand vandaan. Het plasma zelf is een ijle wolk van elektronen en ionen die niet grote snelheid rondjes
draaien in de plasmakamer, waarbij ze steeds de ringvormige magneetveldlijnen volgen. 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. De krachten die op de wand en de
magneten werken zijn gigantisch.
De nieuwe reactor zal een aantal noviteiten bevatten. Alhoewel twee kleine experimentele fusieopstellingen nu al
supergeleidende spoelen gebruiken, gebruikt ITER als eerste fusiereactor van energiecentraleformaat
supergeleidende spoelen. Achttien supergeleidende magneetspoelen van elk 290 ton wekken een magneetveld in de
richting van de plasmastroom op. Zes supergeleidende magneetspoelen zorgen voor het magneetveld in het vlak van
de verticale doorsnede. De kosten van de fusiereactor, zo'n vijf miljard euro, zitten voor dertig tot veertig procent in
deze supergeleidende spoelen.
Samen gaan de spoelen ervoor zorgen dat het noodzakelijke magneetveld langer in stand blijft dan tot nu toe
mogelijk was. 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.
Gevolg is wel dat de ITER-tokamak in een koelvat (cryostaat) van 14.000 kubieke meter komt te huizen. Die zorgt
ervoor dat de supergeleidende magneten de benodigde afkoeling krijgen tot ongeveer 4,5 kelvin. Hitteschilden
moeten warmte-uitwisseling tussen de ultrakoude spoelen en de ultrawarme plasmakamer voorkomen. Omdat er
zo'n vierhonderd openingen in de cryostaatwand komen voor diverse leidingen en apparatuur, vormt het ontwerp
een enorme uitdaging.
Een ander 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 via koelleidingen 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. Bovendien moet in dergelijke wandmaterialen de radioactiviteit die door de neutronenbestraling
ontstaat, weer zo snel mogelijk verdwijnen. Daarnaast moeten de materialen van de wand extreem hittebestendig
zijn. De energie die de binnenwand treft is gigantisch: zo'n tien megawatt per vierkante meter. De mantel van
hittebestendige tegels zit nog niet in huidige testreactoren en wordt voor het eerst beproefd bij ITER.
Zes supergeleidende magneetspoelen zorgen voor een poloïdaal magneetveld in het vlak van de verticale
torusdoorsnede. Achttien supergeleidende magneetspoelen (290 ton elk) zorgen voor een toroïdaal magneetveld in de
richting van de plasmastroom.
Heet, heter, heetst
Het bereiken van de extreem 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 plasmastroom op in de als secundaire wikkeling
gebruikte tokamak. Aan de ene kant draagt deze plasmastroom bij aan liet opsluitende magneetveld, aan de andere
kant zorgt de elektrische weerstand van het plasma ook voor ohmse verhitting. Naarmate het plasma heter wordt,
gaat liet echter steeds beter geleiden, waardoor de warmte wegstroomt Bovendien is een
plasma bij een paar miljoen graden celsius een betere geleider dan koper bij kamertemperatuur.
Extra verhittingmethoden zijn daarom noodzakelijk, zo realiseerden fusieonderzoekers zich al eindjaren zestig. Een
eerste additionele verhitting komt van het inschieten van bundels neutraal deuterium of tritium. Deze
waterstofisotopen staan door botsingen energie af aan het achtergrondplasma. Ten tweede worden
elektromagnetische golven in het plasma gestraald. Dit principe van verhitting is gelijk aan dat van een magnetron.
Tegenwoordig kunnen ze die extra verhitting ook lokaal toevoeren, wat voor het optimaliseren van het plasma
belangrijk is.
Het feit dat de stroom door het plasma via een transformator tot stand komt, kent een fundamenteel nadeel. Voor
het opwekken van een stroom in het plasma moet de stroom door de primaire spoel in de tijd veranderen. In
normale toepassingen van een transformator gebeurt dat met een wisselstroom, maar dat kan hier niet: op de
toppen van de wisselstroom verandert de primaire stroom eventjes niet, zodat de stroom door het plasma
onmiddellijk zou stoppen. Dat gebeurt in een fractie van een seconde.
De stroom door liet plasma kan daarom alleen in stand gehouden worden zolang de stroom in de primaire spoel
stijgt. Bij het gebruik van alleen een transformator, is een tokamak-fusiereactor dus noodzakelijkerwijs een
gepulste machine. Tegenwoordig ontwikkelt men daarom ook andere technieken om de plasmastroom vast te
houden, zodat een continu bedrijf mogelijk wordt, onder andere radiofrequente golven en neutrale-bundelinjectie.
KERNFUSIE IN DE ITER
De International Tokamak Experimental Reactor is de fusiereactor van de toekomst. De ITER-tokamak huist in een
grote cryostaat van 14.000 kubieke meter. Die zorgt ervoor dat de supergeleidende magneten de benodigde afkoeling
krijgen tot ongeveer 4,5 kelvin. Omdat er zo'n vierhonderd openingen in de cryostaatwand moeten voor diverse
apparatuur, vormt het ontwerp een grote uitdaging.
In ITER komen de hoogste en de laagste temperaturen op aarde bij elkaar: honderd miljoen graden celsius in het
plasma, en 4,5 K boven het absolute nul-punt voor de supergeleidende spoelen. Hitteschilden moeten daarom warmteuitwisseling tussen de ultrakoude spoelen en de ultrawarme plasma-kamer voorkomen.
Geen kettingreacties
Alles waar liet woordkern' in voorkomt roept als een soort pavlovreactie automatisch de vraag naar veiligheid op. Zo
ook bij kernfusie. Toch is kernfusie een inherent veilig proces. Er treden geen kettingreacties op zoals bij
kernsplijting. Bij normale operatie is het aantal fusiereacties al gemaximaliseerd. Mocht er iets met de apparatuur
in de fusiereactor misgaan, dan dooft het plasma snel uit. Ook door de brandstoftoevoer te stoppen, komt het
fusieproces binnen enkele seconden tot stilstand. Van de fusieproducten is het helium niet radioactief. Twintig
procent van de energie zit in liet helium. Omdat het niet meer brandt, wordt het via een soort pomp (de divertor) uit
het plasma verwijderd.
Het andere reactieproduct is de stroom hoogenergetische neutronen. Hierin gaat de overige tachtig procent van de
ontstane energie zitten. Delen van de reactorstructuur die blootstaan aan die neutronen worden wel radioactief.
Daarom zullen robots in plaats van mensen alle benodigde reparatie- en onderhoudswerkzaamheden verrichten. Nu
al voeren robots 99% van alle benodigde taken uit bij de joint European Torus, de huidige grootste fusiereactor,
zoals het vervangen van koolstoftegels.
De radioactiviteit van de binnenwand valt echter in het niet bij de radioactiviteit die een kernsplijtingcentrale
overhoudt. Na zo'n vijftig tot honderd jaar is het binnenwandmateriaal weer geschikt voor hergebruik. Na die
afkoelperiode is het afval qua radioactiviteit vergelijkbaar met de as van een kolencentrale en zo'n tienduizendmaal
lager dan kernsplijtingsafval.
Gouden bergen
De conventionele fusieroute moet over tien jaar leiden tot een voltooide ITER-reactor en over 25 jaar tot een
demonstratiereactor. Die laatste moet bij een fusievermogen van twee gigawatt, elektriciteit opleveren en een hoge
betrouwbaarheid van operatie kennen. Over veertigjaar is een prototype commerciële fusie-energiecentrale gepland
met een netto elektriciteitsvermogen van anderhalf gigawatt. Uiteindelijk moeten deze stappen over vijftigjaar tot
grootschalige commerciële toepassing leiden.
Er zijn ook plannen ontwikkeld voor een snellere route tot commerciële fusie. ITER moet dan al enkele
demonstratietesten uitvoeren, en de prototypereactor neemt dan een ander deel van de demonstratietesten voor zijn
rekening. "Fusie zal er zijn wanneer de maatschappij het nodig heeft", zo zei het voormalige hoofd van het
Russische fusieonderzoek Lev Artsimovich dertigjaar geleden.
Een vaak gehoord argument is dat wetenschappers al decennialang gouden bergen beloven voor commerciële
kernfusie. Prof dr Niek Lopes Cardozo, hoofd van het Nederlandse kernfusieonderzoek en werkzaam bij het FOMinstituut voor plasmafysica (Rijnhuizen) in Nieuwegein, ergert zich aan die tegenwerping: "Het is gewoon onwaar.
De in 1974 gestelde doelen van JET, bijvoorbeeld, zijn steeds op tijd gehaald. De behaalde fusievermogens zijn in
dertigjaar exponentieel gestegen. De realisering van commerciële kernfusie is een project van de lange adem.
Wetenschappers en technici hebben het in de jaren negentig goed gedaan. Technisch gezien kan er over 25 jaar een
prototype staan. Als die er tegen die tijd niet staat, is dat te wijten aan politieke onwil."
Fusiefysica
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. De verloren massa wordt omgezet in energie volgens Einsteins formule E=mc2 en uit zich als een
grote bewegingsenergie van de ontstane fusieproducten. Die 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 volli, klaar is de kernfusiecentrale die alle huishoudens en bedrijven van stroom
voorziet.
Maar de fusiepraktijk is weerbarstig. Twee atoomkernen kruipen niet zomaar dicht bij elkaar. Ze hebben allebei een
positieve lading, waardoor ze elkaar afstoten. Om energie uit fusie te winnen is daarom eerst heel veel energie
nodig. In de praktijk betekent dat dat temperaturen van meer dan honderd miljoen graden celsius nodig zijn. 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. Alledaags plasma vinden we in bijvoorbeeld een
bliksemflits, in neonlichtreclame en uiteraard in de zon en de sterren.
De tokamak waarin het plasma zit opgesloten, kent vele subsystemen die innig verstrengeld zijn. Een plasma
gedraagt zich als een sterk niet-lineair systeem. Temperatuur, stroom en magneetveld zijn sterk aan elkaar
gekoppeld. Wordt bijvoorbeeld het vermogen van de reactor opgevoerd, 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 dat
van piepschuim. Hoe turbulenter het plasma, hoe beter de menging, en hoe slechter ook de plasmaopsluiting.
Tegenwoordig kunnen de onderzoekers filmpjes maken van die turbulentie. Zo zien ze wat er op schalen van
tientallen microseconden en enkele centimeters gebeurt.