Amerikaanse fusiereactor bezwijkt onder records

Met de Tokamak Fusion Test Reactor van de universiteit van Princeton in Plainsboro (New Jersey) is een nieuw record gevestigd. Eind vorige week hebben fysici in deze experimentele fusiereactor enkele malen vijf seconden lang kernfusie tot stand gebracht. Hierbij werd een piekvermogen van van 5,6 Megawatt opgewekt. Dat is het drievoudige van het vermogen dat twee jaar geleden met de Europese testreactor in Culham, Engeland, werd bereikt. De Amerikaanse reactor is nu echter wel bezig zichzelf 'op te branden'.

Kernfusie is een proces waarbij door versmelting van lichte atoomkernen energie vrijkomt. Het vindt plaats in de zon en de sterren (en in waterstofbommen) en is het omgekeerde van de in kerncentrales toegepastekernsplijting. Daar wordt tijdens het uiteenvallen van zware atoomkernen energie geproduceerd. Om kernfusie tot stand te brengen moeten de gebruikte 'brandstoffen' tot een temperatuur van enkele honderden miljoenen graden worden verhit.

Een van de grootste problemen is het voorkomen dat het gloeiende plasma in contact komt met de wanden van het reactorvat. Dit leidt tot beschadiging van de wand, vervuiling van het plasma en het stoppen van de reacties. Daarom wordt het plasma met behulp van magnetische velden vastgehouden rond de as van een ringvormig reactorvat: een tokamak (genoemd naar de Russische voorloper uit de jaren zestig).

De 'brandstof' van de Princeton-reactor bestaat uit een mengsel van gelijke hoeveelheden deuterium (zware waterstof) en tritium, twee isotopen van waterstof. Om kernversmelting tot stand te brengen werd dit mengsel met behulp van elektrische stromen verhit tot een temperatuur van bijna 400 miljoen graden. Hiervoor was een elektrisch vermogen nodig van 24 Megawatt. Dit is dus altijd nog viermaal zo groot als het door de kernfusie geleverde vermogen.

Geen enkel fusie-experiment is er tot nu toe in geslaagd méér energie te produceren dan te consumeren, laat staan de situatie te bereiken waarin het fusieplasma zichzelf in stand houdt. Dat is het uiteindelijke doel van de experimenten, maar de weg daar naar toe is lang. De onderzoekers verwachten dat de eerste commerciële fusiereactor in het midden van de volgende eeuw beschikbaar zou kunnen komen. Fusie-energie zou een belangrijk alternatief kunnen betekenen voor de nu gebruikte energiebronnen, die vervuiling veroorzaken en opraken.

Fusie-energie zou schoner zijn en bovendien is een deel van de benodigde 'brandstof', deuterium, in vrijwel onbeperkte mate aanwezig (in gewoon water). Het andere deel, tritium, is vanwege zijn radioactiviteit echter niet zo schoon en moet bovendien eerst in andere reactoren worden 'gekweekt'.

In de nu in Princeton gehanteerde verhouding waren deuterium en tritium nog niet eerder gebruikt. Bij voorgaande experimenten werd alleen deuterium, of deuterium met een beetje tritium gebruikt. Door tritium wordt het rendement van de fusiereacties verhoogd, maar het gebruik van dit isotoop heeft als nadeel dat de reactor radioactief wordt.

Met de experimentele Europese fusiereactor in Culham, de Joint European Torus (JET), werd twee jaar geleden een piekvermogen van 2 Megawatt bereikt. JET is een gemeenschappelijk project van twaalf Europese landen, onder leiding van Euratom. Een van de partners in dit programma is het FOM-instituut voor Plasmafysica 'Rijnhuizen' in Nieuwegein.

Directeur M.J. van der Wiel: 'JET had dezelfde prestaties kunnen leveren als de Princeton-reactor als men had besloten er dezelfde hoeveelheid tritium in te doen. Dat is echter bewust niet gedaan, om te voorkomen dat de machine te radioactief zou worden. Men wilde er nog een aantal jaren mee kunnen experimenteren. Daarom werd niet meer dan 10 procent tritium gebruikt.'

Bij de fusiereactor in Princeton, die nu elf jaar oud is, speelt dit probleem niet zo'n rol, omdat hij eind volgend jaar toch wordt gesloopt. In de komende maanden wordt hij daarom steeds hoger 'opgestookt' en daardoor radioactiever. 'Alles moet nu op afstand worden bestuurd en, erger nog, als er iets kapot gaat kan men er niet meer bij en dan is het ook echt afgelopen met de machine,'' aldus Van der Wiel.

De Amerikanen hopen aan het einde van deze rit een fusievermogen van 10 miljoen watt te hebben bereikt. En natuurlijk hoopt men ook dat al vuurwerk er toe zal bijdragen dat de 500 miljoen dollar wordt toegezegd die nodig is voor de opvolger van de huidige reactor: het Tokamak Plasma Experiment. Dat geld moet komen van het Department of Energy.

Intussen is de Europese fusiereactor in Culham in de afgelopen anderhalf jaar omgebouwd en voorzien van een zogeheten diverter. Die moet het gloeiende plasma zodanig vasthouden dat het niet in contact komt met de reactorwand en er geen deeltjes van de wand in het plasma kunnen komen. Volgende maand wordt de machine weer in werking gesteld en gaat men bestuderen hoe dit nieuwe systeem werkt.

'Bij de eerste experimenten wordt alleen deuterium gebruikt,'' zegt Van der Wiel. 'Tegen de tijd dat alles lekker werkt en is aangetoond dat het plasma langdurig stabiel kan blijven, stopt men er ook weer tritium in. Die fase moet in 1996 beginnen en dan moet de machine zo'n 10 tot 20 Megawatt aan fusievermogen gaan leveren.'' Volgens Van der Wiel staat men op zijn instituut 'te trappelen om de machine te gaan gebruiken''.