Hete fusie

De weg naar een bruikbare thermonucleaire fusiereactor is lang en kostbaar. Dat komt doordat ieder experiment op ware grootte moet worden uitgevoerd.

De nieuwe generatie reactoren staat op de tekentafel. Nu het geld Begin dit jaar moeten de landen van de Europese Gemeenschap belangrijke beslissingen nemen over de ontwikkeling van het Europese kernfusie-onderzoek. Het betreft de verlenging van het gezamenlijke onderzoekproject JET (Joint European Torus), haar vervolgproject NET (Next European Torus) en de eventueel in internationaal verband te ontwikkelen ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

De eerste ideeen voor deze vervolgprojecten is in de afgelopen jaren ontwikkeld op het Max-Planck-Institut fur Plasmaphysik (IPP) te Garching, bij Munchen. Op dit instituut is men nu betrokken bij totaal vijf fusie-experimenten, waardoor het IPP een der belangrijkste centra voor kernfusie-onderzoek ter wereld mag worden genoemd.

Al meer dan dertig jaar wordt er nu onderzoek verricht naar beheerste kernfusie: het proces dat zon en sterren schier oneindig lang van energie voorziet. Onbeheerste kernfusie is al meermalen vertoond: de waterstofbom. Doel van het onderzoek is om uiteindelijk een reactor te kunnen bouwen waarin op een betrekkelijk goedkope manier energie kan worden gewonnen uit de versmelting van atoomkernen. Hierbij komt namelijk een hoeveelheid energie vrij die tientallen miljoenen maal zo groot is als bij een gewone chemische verbranding.

Bij het fusieproces dat men op aarde tracht te verwezenlijken gaat het om de versmelting van de kernen van deuterium en tritium, twee isotopen van waterstof. Deuterium kan worden gewonnen uit gewoon water en is vrijwel onbeperkt aanwezig. Tritium kan gemaakt worden door lithium, een licht metaal dat ook in grote hoeveelheden op aarde voorkomt, te bestralen met neutronen. Dat kan gebeuren in een conventionele kerncentrale of in een 'broedmantel' rond een toekomstige kernfusiereactor.

PRAKTIJK

Is het principe van kernfusie eenvoudig, de praktijk is dat niet. De kernen van atomen zijn positief geladen en stoten elkaar dus af. Om versmelting tot stand te brengen moeten de kernen zeer grote snelheden hebben en heeft men dus zeer hoge temperaturen nodig: ongeveer honderdmiljoen graden. Men spreekt dan niet meer van een gas, maar van een plasma.

Er is geen enkel materiaal dat tegen zulke hoge temperaturen bestand is. Bij de zon zijn het de honderdduizenden kilometers dikke gaslagen die de 'fusiereactor' in het centrum van de buitenwereld afsluiten, maar op aarde moet men naar een andere manier van opsluiting zoeken.

De meest toegespast oplossing is magnetische opsluiting, waarbij het plasma zich bevindt in een ringvormig vacuumvat dat de vorm heeft van een autoband (een 'torus'), dat omringd wordt door elektromagneten. Het zeer krachtige magnetische veld dat hiermee wordt opgewekt, verdicht het plasma in het centrum van de torus zo sterk dat het de wanden niet raakt. De opsluiting gebeurt in combinatie met het magnetische veld van een krachtige kringstroom die via een transformator door het plasma wordt gestuurd. Via deze stroom wordt het plasma tevens verhit. Zo'n constructie, een tokamak (het Russische acroniem voor 'toroidale magnetische kamer'), werd voor het eerst in 1950 voorgesteld door Andrei Sacharov en Igor Tamm.

In Europa wordt het fusie-onderzoek gecoordineerd door de in 1957 opgerichte organisatie Euratom (Europese Gemeenschap voor Atoomenergie). De bij Euratom aangesloten landen stellen het onderzoekprogramma op, financieren het en controleren de uitvoering ervan in de nationale laboratoria. Sinds 1983 verrichten zij ook gezamenlijk onderzoek met het nu grootste fusie-experiment ter wereld, de Joint European Torus (JET), dat zich bevindt op het terrein van het Culham-laboratorium te Abingdon in Engeland.

Een van die nationale laboratoria is het Max-Planck-Institut fur Plasmaphysik (IPP) in Garching bij Munchen. Het werd in 1960 opgericht als maatschappij op aandelen em kwam in 1971 onder de hoede van de Max-Planck-Gesellschaft. Het fusie-onderzoek vindt hier plaats in samenwerking met vooral het Kernonderzoekcentrum Karlsruhe als Entwicklungsgemeinschaft Kernfusion. Het IPP concentreert zich vooral op de fysische aspecten van kernfusie, het KfK vooral op de technologische. Met haar personeelsbestand van ruim duizend mensen, waarvan een kwart wetenschappers, is het IPP het grootste in haar soort in Europa. Haar jaarbudget bedraagt 153 miljoen DM (1990), waarvan een derde wordt gefinancierd door Euratom. Van de rest komt 90% van de Bondsregering en 10% van de deelstaat Beieren.

Ohmse verhitting

Tot aan het moment van de 'ontsteking' van een plasma (dat wil zeggen het moment waarop er zoveel fusiereacties gaan plaatsvinden dat het proces zichzelf in stand houdt) moet er warmte worden toegevoerd. Dit kan op verschillende manieren gebeuren. Bij de Ohmse verhitting wordt de warmte geproduceerd door de weerstand van een stroom die door het plasma loopt. Een andere methode is de injectie van snelle neutrale deeltjes, die door botsingen energie aan het plasma toevoeren. Een derde mogelijkheid is verhitting met behulp van hoogfrequente elektromagnetische golven.

Niet alleen de temperatuur van het plasma is van belang, maar ook de dichtheid en de tijd waarin temperatuur en dichtheid op voldoende hoogte kunnen worden gehouden. Het produkt van die grootheden wordt de Lawson-parameter genoemd, naar de Amerikaanse fysicus die ze in 1957 als eerste heeft bepaald. Momenteel heeft men nog nergens ter wereld de gewenste situatie weten te bereiken. Men heeft plasmatemperaturen van een paar honderd miljoen graden bereikt, opsluittijden en enkele seconden en een voldoende hoge dichtheid, maar niet tegelijkertijd.

Op het IPP wordt vooral onderzoek verricht naar de wisselwerking tussen het plasma en de wand van het vat. Door de hoge temperaturen blijken er namelijk toch deeltjes uit het magnetische veld te kunnen ontsnappen en naar de wanden van het vat te bewegen. Niet alleen wordt daardoor de wand beschadigd, maar ook koelt het plasma snel af en ontstaan er verontreinigingen in het plasma die de temperatuur nog meer doen afnemen en fusiereacties onmogelijk maken. Een ijzeratoom op duizend plasmadeeltjes, of een wolframatoom op tienduizend plasmadeeltjes kan al funest zijn.

In 1980 werd op het IPP het experiment ASDEX (Axialsymmetrisches Diverter Experiment) in gebruik genomen, waarin men voor het eerst gebruik maakte van een magnetische diverter. De buitenste laag van het plasma werd met behulp van speciaal gevormde magnetische velden afgebogen naar afzonderlijke ruimten buiten de torus. Daar troffen de dan afgekoelde deeltjes de wand en werden ze weggepompt. Verontreinigingen konden zo moeilijker in het plasma komen en de warmte-isolatie werd verbeterd. En ook de 'as' van het fusieproces, helium, zou op die manier kunnen worden verwijderd. Deze techniek bleek zo veelbelovend, dat momenteel ook het Europese JET-experiment in Engeland van zo'n diverter-systeem wordt voorzien.

ASDEX was nog een zuiver op fysisch onderzoek gericht experiment, dat nog geen echt heet en dicht plasma behoefde te kunnen weerstaan. Zijn opvolger, ASDEX-upgrade, moet dat wel kunnen. Dit negen meter hoge en 800 ton zware experiment werd vorig jaar officieel in gebruik gesteld en zal binnenkort de eerste plasma's produceren. Bij dit experiment is het echter voldoende wanneer alleen in de buitenste tien centimeter van de plasmaring de vereiste omstandigheden worden gecreeerd. In deze plasmalaag zullen straks op bescheiden schaal al enkele fusiereacties plaatsvinden, waarbij neutronen ontstaan die schadelijk voor de mens zijn. Het experiment wordt daarom gehouden in een hal met twee meter dikke muren en een bijna even dik plafond, waarin de neutronen worden opgevangen.

De resultaten van dit Duitse experiment zullen van grote invloed kunnen zijn op de uitvoering van de opvolger van het Europese JET-experiment. Men streeft naar een opsluittijd van tien seconden, een plasmadichtheid van 10 tot de macht 14 deeltjes per kubieke centimeter en een temperatuur van 25 miljoen graden. De dichtheid (hoewel relatief hoog toch nog slechts een kwart-miljoenste van de dichtheid van de lucht), komt al overeen met die welke in een toekomstige fusiereactor zal heersen; de temperatuur ligt echter beduidend lager.

STELLARATOR

Het Institut fur Plasmaphysik is het enige instituut waar in het kader van het Europese fusieprogramma behalve met een tokamak ook met een stellarator wordt geexperimenteerd. Hierbij wordt het isolerende magnetische veld tot stand gebracht zonder een door het plasma lopende kringstroom. De benodigde uitwendige magneetspoelen hebben echter een gecompliceerde, niet-symmetrische vorm. Ze zijn gebogen in drie dimensies, hetgeen bijzondere eisen stelt aan de produktie ervan. Deze constructie werd al in de jaren vijftig geopperd door de Amerikaanse astrofysicus Lymann Spitzer (die overigens ook met het voorstel van een ruimtetelescoop kwam), maar werd al snel door de ontwikkeling van de tokamak naar de achtergrond verdrongen.

In Garching studeerde men echter ook al vroeg op de ontwikkeling van de stellarator. Al in 1980 werd er met het experiment Wendelstein- VII-A voor het eerst aangetoond dat een heet plasma met alleen een uitwendig magnetisch veld kan worden opgesloten. In 1988 werd een geavanceerdere versie in gebruik genomen, Wendelstein VII-AS. Het plasma in deze 250 ton zware machine wordt opgesloten met behulp van 45 magneten, waarvan men de vereiste vorm langs theoretische weg heeft afgeleid. De plasmametingen toonden aan dat het aldus berekende en geproduceerde magnetische veld tot in de kleinste details met elkaar overeenstemmen.

'Sinds de conceptie van Wendelstein VII-AS in 1982 heeft de stellaratortheorie opnieuw grote vooruitgang geboekt', zegt Isabella Milch, Pressereferatin van het IPP. 'De onderzoekers hier zijn zeer enthousiast over de resultaten van het experiment. Dit wettigt de hoop dat men met het volgende, verder geoptimaliseerde experiment, Wendelstein VII-X, kan aantonen dat deze constructie ook als fusiereactor geschikt is. Men streeft naar het 20 tot 30 seconden in stand houden van een plasma. Misschien zal men met dit nieuwe experiment kunnen laten zien dat de stellarator een aantrekkelijk alternatief is voor de tokamak. En misschien zal de toekomstige fusiereactor wel een stellarator worden'.

Vliegwielgeneratoren

Voordat het zover is, zullen er echter op het IPP nog vele stroomstoten door de magneetspoelen zijn gegaan. Deze stroom wordt overigens niet rechtsreeks betrokken uit het elektriciteitsnet. 'Als we dat zouden doen, dan zouden de lampen in heel Munchen gaan flikkeren', aldus Milch. Voor de elektriciteitsvoorziening gebruikt men vliegwielgeneratoren. Vliegwielen met een gewicht van 230 ton worden langzaam op toeren gebracht en bij 1650 toeren per minuut gekoppeld aan een elektrische generator, die dan ongeveer tien seconden lang elektriciteit produceert. In totaal beschikt men op het IPP over vier zulke generatoren, met een totaal vermogen van 580 Megawatt: dat van een flinke elektriciteitscentrale.

Om de kwaliteit van een plasma te weten te komen, moet men in een korte tijd een groot aantal metingen aan het plasma verrichten. De extreme omstandigheden vereisen echter heel speciale meetmethoden, zogeheten diagnostieken. Het plasma mag immers niet met iets in de buitenwereld in aanraking komen. Met de passieve diagnostieken meet men de deeltjes, straling en elektrische en magnetische velden van het plasma zelf. Met de actieve methoden meet men de veranderingen die er optreden in laserstraling en microgolven die er op het plasma worden gericht. Belangrijke grootheden die men meet zijn onder andere de temperatuur en de dichtheid en de variaties daarvan.

Bij de huidige experimenten op het IPP en elders ziet men overigens nog af van het gebruik van tritium en gebruikt men als kernbrandstoffen alleen nog deuterium en waterstof. Tritium is namelijk radioactief en zou de experimenten in dit stadium alleen maar onnodig gecompliceerd maken. Ook met deuterium en waterstof kan onderzocht worden of een toestand bereikt kan worden waarin een plasma tot 'ontsteking' komt.

Gaskanonnen

Het onderzoek op het IPP is niet alleen van belang voor het Duitse kernfusieprogramma, maar ook voor het gezamenlijke Europese JET-experiment in Engeland. Het Duitse instituut is een van de belangrijkste deelnemers in dit project. Op het IPP zijn zes meetinstrumenten voor het fusieplasma van JET gebouwd en via ASDEX is het diverter-systeem ontwikkeld waarmee dit plasma 'schoon' kan worden gehouden. Daarnaast is op het IPP een nieuwe methode ontwikkeld om het weggezogen plasma aan te vullen. Deuterium wordt hierbij zo sterk afgekoeld, dat het in vaste vorm overgaat en kogeltjes van enkele millimeters diameter vormt. Versneld via gaskanonnen of centrifuges worden deze kogeltjes in snelle opeenvolging diep in het plasma geschoten, waar ze verdampen en in het plasma opgaan. Ook de verdeling van het plasma in de vacuumkamer is op deze manier te beinvloeden.

Afgelopen jaar heeft men met JET het punt bereikt waarbij er door fusiereacties evenveel energie wordt geproduceerd als er van buitenaf wordt ingestopt: het zogeheten break-even punt. Dit bracht de directeur van JET, P. H. Rebut, tot de optimistische uitspraak: 'Ik beschouw het probleem van verhitten en opsluiten van een thermonucleair plasma nu opgelost'.

In 1992 zou het onderzoek met JET moeten eindigen. Aan het experiment is dan ruim een miljard gulden uitgegeven. Een onafhankelijke onderzoeksgroep, bestaande uit Europese wetenschappers en wetenschapsbeleidsmakers, onder voorzitterschap van de Italiaan Umberto Colombo, heeft aanbevolen om het JET-project met vier jaar te verlengen en na 1994 ook experimenten met tritium te gaan doen. Zo'n verlenging zou nodig zijn om het (al na enkele seconden) onstabiel worden van het plasma verder te bestuderen en op te lossen. Binnenkort zullen de EG-ministers over dit voorstel een beslissing moeten nemen. Op het IPP wordt binnen de Europese samenwerking ook (sinds 1983) gewerkt aan het ontwerp voor een opvolger van JET, de Next European Torus (NET). Met deze reactor zou moeten worden aangetoond of het minutenlang in stand houden van een zelf 'brandend' plasma fysisch en technisch realiseerbaar is. Bovendien zou een groot aantal componenten en technieken verder moeten worden ontwikkeld en beproefd: supergeleidende magneten, de tritium-technologie, de warmte-afvoer, op afstand bestuurde, uitwisselbare componenten en afschermings- en veiligheidssystemen.

Misschien wordt de volgende, grote experimentele fusiereactor wel een internationale reactor. Om die mogelijkheid te bestuderen wordt op het IPP ook gewerkt aan het project ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Dat gebeurt onder auspicien van het Internationaal Agentschap voor Atoomenergie (IAEA ) in Wenen. Ongeveer veertig wetenschappers uit Europa, de Verenigde Staten, de Sovjetunie en Japan hebben sinds 1988 in Garching aan de voorbereiding van dit project gewerkt. Aangezien Europa op het gebied van fusie-onderzoek in feite de toon aangeeft, leunt de ITER-groep zwaar op de NET-groep. De eerste fase van het voorontwerp (het conceptual design) werd eind vorig jaar afgesloten.

Binnenkort moet worden besloten of en zo ja hoe Europa aan ITER moet blijven meedoen. De eerdergenoemde onderzoekscommissie heeft geadviseerd wel aan ITER mee te doen, maar er ondertussen voor te zorgen dat Europa kan terugvallen op haar NET-project wanneer de internationale samenwerking problemen zou geven. Want de toekomst van ITER blijft onzeker. De Sovjetunie, nu in een situatie van grote economische ontreddering, zal misschien haar aandeel in de kosten niet kunnen betalen. En ook de recente bezuinigingen in het Amerikaanse kernfusieprogramma zijn een bedreiging voor het ITER-project. Vanwege die onzekerheid heeft men er in Garching voor gezorgd dat ITER en NET veel op elkaar lijken: in feite als twee druppels water.

Volgens Isabella Milch van het IPP hebben alle betrokken landen wel hun belangstelling getoond om als gastland te fungeren voor de tweede fase van het NET-ITER-concept, de engineering design activity. Ieder hoopt dat dit hen een voordeel zal geven wanneer de plaats van de daadwerkelijke bouw van deze reactor moet worden vastgesteld. Milch: 'De kans is echter groot dat ook deze tweede fase van het NET-ITER-concept in Duitsland zal plaatsvinden. Dat zal dan hier op het IPP gebeuren, of op het Kernforschungscentrum in Karlsruhe'. Het ziet er dus naar uit dat Duitsland een nog belangrijker rol op kernfusiegebied zal gaan spelen.

FUSIEPROBLEMEN

Zal kernfusie binnen afzienbare tijd een realiteit worden? Zoals gebruikelijk in discussies over energiepolitiek staan ook hier de meningen lijnrecht tegenover elkaar. Voorstanders van de huidige kostbare experimenten wijzen op de bijna onuitputtelijke brandstofvoorraad die bij toepassing van kernfusie in het verschiet ligt en op de grotere veiligheid ten opzichte van de huidige kerncentrales.

Het eindprodukt van kernfusie is helium, dat niet radioactief is. In de toekomst zal in een reactor weliswaar gebruik worden gemaakt van radioactief tritium, maar dat komt in principe nooit naar buiten toe. Bovendien is de hoeveelheid tritium zo gering, in de orde van een gram, dat bij calamiteiten alleen de reactor zelf besmet zal raken. Verder kan een fusiereactor niet uit de hand lopen en doorsmelten, zoals bij de kernreactor in Tsjernobyl is gebeurd. Bij storingen of menselijke fouten stoppen de reacties direct en slaat de reactor af.

Om al deze redenen is kernfusie een schone en veilige energiebron. Er blijft echter een probleem over. Door het bombardement van energierijke neutronen die tijdens het fusieproces vrijkomen (en die de gewenste warmte moeten opleveren), wordt de reactorwand radioactief. Hij slijt ook en zal op den duur vervangen moeten worden. Deze radioactieve materialen zullen hermetisch van de buitenwereld moeten worden afgesloten. Hun radioactiviteit verdwijnt echter een factor 100 sneller dan die van het afval van een splijtingsreactor. En door het gebruik van niet-conventionele staalsoorten zou die tijd nog korter kunnen worden gemaakt.

Er is ook nog een soort tijdprobleem. Het is voor iedereen duidelijk dat er nog een lange en dure weg te gaan is voordat kernfusie eeen commercieel haalbare kaart kan worden. Een van de oorzaken daarvan is het feit dat men in iedere fase van het onderzoek gedwongen is experimenten op ware schaal te bouwen. Modelonderzoek gevolgd door simpele schaalvergroting is er niet bij. Bij kernsplijting heeft het minder dan tien jaar geduurd voordat men naast de militaire toepassing (de atoombom) een vreedzame toepassing had ontwikkeld (de kernreactor). Bij kernfusie zal het volgens de huidige verwachtingen bijna een eeuw duren. Bij de huidige stijging van het energiegebruik, de toename van de wereldbevolking en de eindige voorraden fossiele brandstof en splijtstof voor kerncentrales is het zelfs de vraag of de 'getemde waterstofbom' nog wel op tijd zal komen.

PANEL SCHIET KOUDE KERNFUSIE AF

De koude-kernfusie experimenten, uitgevoerd in het Nationale Koude Fusie Instituut van de Universiteit van Utah, hebben geen enkel bewijs geleverd voor het optreden van een fusiereactie. Dat is de conclusie van een onderzoek, uitgevoerd door een panel bestaande uit vier Amerikaanse en Canadese deskundigen. Het onderzoek vond plaats op verzoek van de Fusie-Energie Adviesraad van de staat Utah. Hiermee lijkt wel het laatste bedrijf te zijn gespeeld van de tragikomedie 'Koude kernfusie'. Het werk aan de Universiteit van Utah bouwt voort op de controversiele aanspraken van de chemici Stanley Pons (Utah) en Martin Fleischmann (University of Southampton) bijna twee jaar geleden. Zij beweerden met eenvoudige middelen en bij kamertemperatuur een fusiereactie te hebben opgewekt, wat een revolutionaire doorbraak zou hebben betekend. De proeven werden over de gehele herhaald, aanvankelijk met succes, maar later werden de meeste claims teruggetrokken. Desondanks trok de staat Utah $ 5 miljoen uit voor een instituut voor koude kernfusie.

Volgens het panel heeft het instituut degelijk werk laten zien, maar is er niet in geslaagd om definitieve bewijzen aan te dragen voor koude kernfusie. Van de warmte-ontwikkeling die nog altijd wordt geclaimd, is de nucleaire oorzaak allerminst aangetoond.

Volgens panellid Robert Adair van Yale University nam het Instituut de 'marginale positieve resultaten veel te serieus' en waren ze er al te zeer op om 'hun geloof bevestigd te zien'.

Tijdens een eendaags bezoek van het panel in november vorig jaar weigerde Stanley Pons de 'speciale truc' te laten zien die andere onderzoekers in staat zou stellen om de Pons-Fleischmann resultaten te reproduceren. De huidige verblijfplaats van Pons is onduidelijk, sinds hij het land heeft verlaten voor een 'sabbatical'. Hij zou op dit moment werkzaam zijn in Frankrijk. Fleischmann is teruggekeerd naar Engeland. (UPI).