Bijna als de zon, zes seconden lang

Natuurkunde De aanblik van de Duitse fusiereactor is duizelingwekkend. „De komende tien jaar is dit de place to be”, zegt plasmafysicus Marc Beurskens.

Beeld IPMP

Rijdend door het lege noordoosten van Duitsland lijk je in de verkeerde energierevolutie terechtgekomen. Overal zie je windmolens en lange rijen zonnepanelen op de kale akkers, maar die zijn niet het doel van deze reis. Af en toe zie je in de verte de Oostzee glinsteren, verder is het hier nogal leeg.

Wat het doel dan wel is? Kernfusie, die bijna onuitputtelijke reactie waar de zon al vijf miljard jaar op brandt. De afgelopen vijftig jaar hebben natuurkundigen er greep op proberen te krijgen. Sinds kort gebeurt dat ook in Greifswald, een Hanzestadje circa 200 kilometer boven Berlijn, niet ver van de Poolse grens. Aan de stadsrand staat een modern gebouw met een fraai golvend dak, het Max Planck Institut für Plasmaphysik. Hier worden sinds afgelopen december experimenten gedaan met een ‘stellarator’, een nieuw type fusiereactor. Hij is Wendelstein 7-X gedoopt.

In deze experimentele reactor wordt waterstof verhit tot 100 miljoen graden, heter dan het binnenste van de zon. Daarbij ontstaat een waterstofplasma. Hierin zijn elektronen gescheiden van de atoomkernen. Als de temperatuur maar hoog genoeg is, zo is het idee, zullen die waterstofkernen zo hard op elkaar botsen dat ze fuseren. Daarbij komt netto energie vrij.

„We kunnen elke dag zien dat het werkt, kijk maar naar de zon”, zegt Paul van Eeten, een Nederlandse technicus van het instituut, die de reactor met alle plezier laat zien.

Wendelstein 7-X staat in een grote hal, een metershoge duizelig makende wirwar van metaal: buizen, kabels, stellages, drukvaten, rekken vol meetapparatuur, en hier en daar een venster. Een handjevol van de vierhonderd werknemers van het instituut is bezig aan de installatie.

Wokkelvorm

Van het binnenste is weinig te zien: het reactievat, waar zich het plasma moet vormen, en de magnetische spoelen eromheen zijn stevig ingepakt. Daardoor is de eigenaardige vorm van de reactor alleen nog te zien op foto’s en diagrammen.

„Een wokkelvorm”, noemt Van Eeten het. Het is alsof een agressieve kleuter of een expressionistische beeldhouwer een schaalmodel te pakken heeft gekregen en alles eens lekker heeft verbogen. „Die vorm is een manier om het plasma zo lang mogelijk vast te houden”, legt plasmafysicus Marc Beurskens uit. Ook hij is Nederlander en sinds vorig jaar aan het Max Planck verbonden.

De vorm van de stellarator is exotischer dan het meer gangbare ontwerp voor een fusiereactor, de donut-vormige tokamak. Dat concept is in de jaren vijftig bedacht door Russische plasmafysici, en sindsdien al veel verder ontwikkeld in de richting van een bruikbare fusiereactor.

Zo staat in het Britse Culham de experimentele Europese tokamak waarin waterstofplasma tientallen seconden lang stabiel is vastgehouden. Ook is hier voor het eerst echt kernfusie aangetoond (al kostte dat per saldo nog energie). Ook de fusiereactor-in-aanbouw ITER in het Franse Cadarache is een tokamak – en de eerste die meer energie moet opleveren dan hij gebruikt.

De isolatie moet echt buitengewoon zijn, want de gevolgen van een quench zijn desastreus

Plasmafysicus Marc Beurskens

Toch heeft volgens Beurskens ook de stellarator, in 1950 bedacht door de Amerikaanse natuurkundige Lyman Spitzer, nog wel degelijk goede kaarten. „Hij mist een aantal nadelen die de tokamak wel heeft”, zegt hij. Zo heeft de stellarator minder last van krachtige verstoringen van het plasma. Ook kan het plasma, anders dan in een tokamak, in principe onbeperkt gehandhaafd worden (zie stuk hiernaast: stellarator versus tokamak: disrupties of bananenbanen). Je zou de bouw van Wendelstein 7-X, die 370 miljoen euro heeft gekost aan vooral Duits en Europees onderzoeksgeld, kunnen zien als de ultieme poging om het gelijk van de stellarator alsnog te halen.

Gemakkelijk zal dat niet zijn. Niet alleen is er zeer een ijl vacuüm nodig in het reactorvat, ook de isolatie-eisen zijn streng. Terwijl temperaturen tot 100 miljoen graden heersen in het plasma, moeten de supergeleidende magneetspoelen juist met vloeibaar helium worden gekoeld tot een temperatuur van 4 Kelvin (-269 graden Celsius).

„De isolatie moet echt buitengewoon zijn, want de gevolgen van een quench zijn desastreus voor de magneetspoelen”, zegt Beurskens. Bij een quench valt de supergeleiding in een stukje magneetspoel uit, wat leidt tot een fatale cascade: de spoel warmt op, de supergeleiding verdwijnt, en alle opgeslagen energie die is samengebald in magneet en plasma komt ineens vrij.

Dat geeft een klap en een elektrische stroomstoot, die de reactor in het ergste geval kan vernielen. „Het is een gevaar dat voortdurend in de gaten gehouden wordt met speciale sensoren, die de stroom razendsnel automatisch kunnen uitschakelen als er een quench lijkt te ontstaan”, zegt Van Eeten.

Ook lastig aan de stellarator is zijn verdraaide vorm. Die maakt het bouwen zelf lastig, en het werken in de reactor, maar ook het aanleggen van talloze kijkgaten en toe- en afvoerleidingen voor bijvoorbeeld meetapparatuur. En dan zijn er, naast het gewicht van 6 ton per magneetspoel, nog de immense krachten die het geheel ondergaat door de magneetvelden van maximaal 3 tesla. Hierop strandde een eerdere poging om Wendelstein 7-X te bouwen. „Natuurkundigen hadden supercomputers gebruikt om de configuratie van de magneetspoelen uit te rekenen”, zegt Beurskens, „maar ze hadden niet genoeg rekening gehouden met hoe je alles moest bevestigen en hoe het in de praktijk zou vervormen”.

Boven verwachting

Nadat het instituut in Greifswald in 2005 met extra technisch personeel was versterkt, verliep de bouw van het volgende ontwerp een stuk professioneler. Met resultaat, want Wendelstein 7-X presteert tot nog toe boven verwachting. „Vandaag hadden we 2 seconden lang plasma”, zegt Beurskens, „vorige week 1,5 seconden. Het is duidelijk een veel betere machine dan alle voorgangers.”

Het plan is om steeds langduriger waterstofplasma’s te maken. Inmiddels, enkele weken na het bezoek aan Greifswald, staat de klok op 6 seconden. Vervolgens wordt de reactor opengemaakt om een divertor te installeren. Dat is een onderdeel waarmee hitte en overtollig gas afgevoerd kunnen worden, om het plasma langer in stand te houden.

Kernfusie zal in Wendelstein 7-X hooguit op heel kleine schaal plaatsvinden. Puur waterstof fuseert niet bij de bereikte omstandigheden. Proeven met plasma’s van deuterium, gepland voor volgend jaar, (een isotoop van waterstof met een extra neutron in de kern) zullen hooguit een paar fusiereacties geven. Omdat daarbij neutronenstraling wordt afgegeven, wordt de reactor nu al afgeschermd van de buitenwereld met een twee meter dikke betonnen muur.

Maar kernfusie op serieuze schaal is bij deze temperatuur en druk alleen mogelijk tussen kernen van deuterium en het sterk radioactieve isotoop tritium. Die reactie zal Wendelstein 7-X nooit uitvoeren. Dat is, met de hier opgedane kennis, een taak voor eventuele opvolgers.

„Komende tien jaar is hier the place to be voor plasmafysici”, zegt Beurskens. „Als we kunnen laten zien dat we dertig minuten lang stabiele plasma's kunnen maken van 100 miljoen graden en een druk van een paar bar, dan kun je serieus gaan nadenken over een stellarator als fusiereactor. Als opvolger wellicht van ITER [in Frankrijk], in plaats van weer een tokamak.”