Welke reactor is de beste?

De tokamak en de stellarator hebben elk voor- en nadelen. Als deeltjes het plasma verlaten, dreigt instabiliteit.

De taak van een fusiereactor is moeilijk, maar simpel: een immens heet waterstofplasma in stand houden bij een temperatuur en druk waarbij de atoomkernen zó hard botsen dat ze samensmelten. Dat moet wel zo hard, want atoomkernen hebben een positieve lading, en stoten elkaar normaal gesproken af.

Sterren als onze eigen zon lossen dit probleem op met hulp van de zwaartekracht, waardoor de druk in het binnenste van de zon oploopt tot 270 miljard bar. Bij die druk komt de fusiereactie tussen waterstofkernen op gang bij 15 miljoen graden Celsius.

„Wij halen in onze reactor maar een druk van een paar bar”, zegt technicus Paul van Eeten over de nieuwe Duitse fusiereactor Wendelstein 7-X. „Dus moeten we het hebben van een hogere temperatuur: 100 miljoen graden.”

Bij die omstandigheden fuseren waterstofkernen nog steeds niet, maar wel kernen van deuterium (waterstof met een extra neutron in de kern) en tritium (een radioactieve isotoop met twee extra neutronen).

In een fusiereactor wordt een pufje gas verhit met intense microgolfstraling, zodat het ioniseert tot gloeiend plasma. Omdat alle denkbare materialen smelten boven een paar duizend graden Celsius, wordt het plasma binnen in het reactorvat op zijn plek gehouden met behulp van magneetvelden. Die worden opgewekt door krachtige, supergeleidende titanium-niobium-magneetspoelen.

„Een geladen waterstofdeeltje draait rond een magnetische veldlijn als een planeet rond de zon”, doceert plasmafysicus Marc Beurskens. Het effect is dat de deeltjes min of meer vastzitten op de magnetische veldlijnen, als kralen op een snoer: ze kunnen wel bewegen, maar alleen langs de veldlijn zelf. Als die veldlijnen ook nog gesloten ringen vormen, zitten de waterstofkernen in principe opgesloten in een circuit, als karretjes op een achtbaan. Dit is het principe van zowel de stellarator als de tokamak, het Russische fusiereactorontwerp uit de jaren vijftig.

Poloïdale veld

De opsluiting is echter nooit helemaal perfect. Door botsingen raken deeltjes van het rechte pad, en op den duur kunnen ze zo toch nog naar de wand van de reactor dwalen en verloren gaan. Daarom is er nóg een magnetisch veld nodig, het zogeheten poloïdale veld, dat de deeltjes van de reactorwand wegleidt.

Daarnaast fungeert het poloïdale veld als een soort mixer tegen elektrische ladingsscheiding. De positief geladen waterstofkernen hebben de neiging om te schiften van de negatieve elektronen, wat storende elektrische velden geeft.

Het poloïdale magnetische veld husselt het plasma netjes door elkaar en voorkomt ladingsscheiding. Het netto resultaat voor de plasmadeeltjes is een soort kurkentrekkerbaan door de ring.

Het verschil tussen het type tokamak en stellarator zit ’m erin hoe ze het poloïdale veld maken. In een tokamak wordt dat indirect opgewekt door een grote magneetspoel in het centrum van de ring, die een langzaam stijgend magneetveld veroorzaakt. Dat stijgende veld wekt op zijn beurt een kringstroom op in de donut. Die kringstroom wekt weer het poloïdale magneetveld op. Het voordeel is dat een tokamak een eenvoudige, symmetrische vorm heeft.

Maar er zijn ook nadelen: doordat een magnetisch veld niet eeuwig kan toenemen, kan de reactor niet continu draaien. Een tokamak werkt noodzakelijkerwijs in pulsen. Nog een nadeel is dat de forse kringstromen in de ring kunnen leiden tot disrupties, verstoringen waardoor alle energie in het plasma op één punt op de reactorwand wordt neergekwakt. Een reactor kan maar enkele tientallen van zulke disrupties verduren, dus moet complexe meet- en regelapparatuur zulke verstoringen koste wat kost voorkomen.

In de stellarator, in 1950 bedacht door de Amerikaan Lyman Spitzer, wordt het poloïdale veld direct van buiten aangelegd met een extra set magnetische spoelen om de ring. In de Wendelstein 7-X worden beide sets gecombineerd tot 50 zeer complex gevormde spoelen, waaraan hij zijn buitenissige vorm dankt. Doordat er binnen de reactor geen elektrische stroom loopt, zijn schadelijke disrupties niet mogelijk. Bovendien kan de reactor nu continu draaien.

Toch kampten eerdere ontwerpen voor stellaratoren met een eigen probleem: bananenbanen. Hierbij maakt een deel van de geladen deeltjes tijdens het volgen van de magnetische veldlijnen rechtsomkeert. Ze volgen daarna een gekromde baan die doet denken aan de vorm van een banaan. In alle eerdere stellarator-ontwerpen leidden zulke bananenbanen de deeltjes uiteindelijk het plasma uit, tegen de reactorwand aan, zodat het plasma niet stabiel kon zijn.

Met hulp van supercomputers is de magneetconfiguratie van Wendelstein 7-X zo ontworpen dat nu ook bananenbanen binnen het plasma zouden moeten blijven. „Dat kon door supercomputerberekeningen die in de jaren negentig nog niet mogelijk waren”, zegt Beurskens. De komende jaren moet blijken of de bananenbanen definitief onschadelijk gemaakt zijn.