Alternatieve weg naar kernfusie

Lees meer

Alternatieve weg naar kernfusie

Een kernfusiereactor wordt wel omschreven als een ‘zon op aarde’, maar hoe je zo’n zon het best in bedwang houdt, daar zijn de geleerden het nog niet over eens. Plasma-expert Josefine Proll van de TU/e is een fan van de stellarator-reactor, een alternatief voor de meer mainstream tokamak. Met een nieuwe beurs van NWO hoopt zij die technologie nu het beslissende voordeel te geven.

  • illustratie Max Planck Institute for Plasma Physics

Josefine Proll is deze zomer weer naar haar geboorteland Duitsland geweest. Niet voor vakantie, maar om dichtbij haar vakgenoten en voormalige collega’s te zijn op het Max Planck Instituut voor Plasmafysica in Greifswald. In die voormalige Hanzestad in het uiterste noorden van Duitsland staat namelijk een hypermoderne testopstelling voor kernfusie, de Wendelstein 7-X.

Sinds ze als scholiere hoorde over kernfusie als energiebron van de toekomst, heeft de geëngageerde Proll alles in het werk gesteld om bij te dragen aan deze grootse, maar nog niet ingeloste belofte van onbeperkte, schone energie. Ze ging natuurkunde studeren, rekende als masterstudent al aan experimenten van het fusielab CCFE in Oxford, en deed haar promotieonderzoek in Greifswald in de jaren dat de Wendelstein 7-X daar werd gebouwd.

Ook sinds haar komst naar Eindhoven als universitair docent bij Science and Technology of Nuclear Fusion, begin 2017, komt ze dus nog vaak in Greifswald. “Als je wilt overleggen met experimentatoren hoe die je theorie kunnen testen, dan werkt dat makkelijker als je daar aanwezig bent”, vertelt de Duitse in rad Engels waarin haar tijd in Oxford doorklinkt. “Ik heb nu voor de derde keer in de zomer een periode doorgebracht op het Max Planck Instituut.”

Samensmelten

Kernfusie bestaat al. De zon toont al miljarden jaren aan dat energie uit kernfusie geen hersenspinsel is, en in prototypes van kernfusiereactoren wordt ook al daadwerkelijk energie opgewekt door atoomkernen te laten samensmelten - alleen wordt er om de vereiste hoge temperatuur (zo’n zeshonderd miljoen graden) te bereiken, nog altijd méér energie ingestopt dan de fusiereactie oplevert. Of kernfusie op de lange termijn - na 2050 - inderdaad de oplossing zal blijken voor het energievraagstuk, zal de toekomst daarom moeten uitwijzen.

De eerstvolgende stap op de weg naar rendabele kernfusie ligt in ieder geval vast: dat is de testreactor ITER (letterlijk Grieks voor de ‘weg’) die momenteel wordt gebouwd in het Zuid-Franse Cadarache. Maar welk pad daarna wordt ingeslagen, is allerminst zeker. Al sinds het begin van de jaren vijftig van de vorige eeuw bestaan namelijk twee alternatieven voor de beste manier om de ‘brandstof’ van de reactor, in bedwang te houden. Dat plasma is namelijk zo heet dat het elk materiaal in een oogwenk zou laten smelten of zelfs verdampen. Direct contact met de wand van de reactor moet dus worden vermeden. Daarom wordt het fusieplasma opgesloten in een sterk magneetveld.

Donut

De benodigde vorm van dat magneetveld is wel bekend, zegt Proll: “Dat is een ‘donut met een twist’.” In die twist, een soort draaiing als in een möbiusring, zit ’m nou precies de crux. “Een zogeheten stellarator-reactor bestaat uit een zeer complexe combinatie van een groot aantal magneten, die samen precies het juiste magneetveld moeten opleveren. Dat vereist een zeer nauwkeurig ontwerp, en deze methode bleek dus in de beginjaren ook niet goed genoeg te werken.”

In de Sovjet-Unie hadden ze een alternatief bedacht, de tokamak, vertelt ze. “De daarin gebruikte magneten zijn eenvoudiger, en de twist in het magneetveld wordt als het ware door het plasma zelf gecreëerd.” Dat kan, legt ze uit, door een elektrisch veld aan te leggen dat de geladen deeltjes van het plasma in beweging brengt. Die plasmastroom genereert vervolgens weer een magneetveld dat bijdraagt aan de opsluiting van het plasma. “Dat principe is eind jaren zestig voor het eerst toegepast door de Russen, en bleek zo goed te werken dat de stellarator daarna decennialang naar de achtergrond is gedrukt.”

Toch heeft ook de tokamak - de methode die in ITER wordt toegepast - niet louter voordelen. “Je hebt een variërende stroom nodig om een magneetveld op te wekken, waardoor je een tokamak alleen gepulst kunt gebruiken: je draait de stroom op tot een bepaalde waarde, en moet hem dan noodgedwongen weer uitzetten. Dat is natuurlijk niet ideaal als je continu energie wilt leveren.” Daarnaast heeft het feit dat het plasma als het ware zijn eigen kooi creëert een negatief effect op de stabiliteit, legt ze uit. “Als de deeltjesstroom zich net iets buiten zijn pad begeeft, heeft dat een zichzelf versterkend effect door de terugkoppeling via het opgewekte magneetveld.”

Comeback

Sinds het begin van dit millennium is de stellarator daarom terug in beeld, mede doordat computers inmiddels voldoende rekenkracht hadden om de complexe configuratie van magneten voor de stellarator door te rekenen. De complexiteit van al die magneten van een stellarator biedt namelijk ook voordelen, benadrukt de Duitse. “Je kunt het magneetveld zodanig vormgeven dat er minder snel turbulentie ontstaat in het plasma. En turbulentie is heel nadelig voor het fusieproces.”

Tekst gaat door onder de video

In deze video is het superhete plasma te zien terwijl het door de Wendelstein 7-X stroomt. Video | Max Planck Institute for Plasma Physics

In deze video is het superhete plasma te zien terwijl het door de Wendelstein 7-X stroomt. Video | Max Planck Institute for Plasma Physics

Nu met de Wendelstein 7-X is aangetoond dat de nieuwe generatie stellarators in staat is om prima een fusieplasma vast te houden, is volgens Proll de volgende grote uitdaging om het ontstaan van turbulentie in zo’n plasma beter te begrijpen. Met een nieuwe subsidie van NWO-KLEIN van zo’n 300.000 euro krijgt ze de gelegenheid om daar met een promovendus in te duiken.

In zekere zin wordt dat een race tegen de klok: er zijn diverse nieuwe stellarators in voorbereiding, legt de plasma-expert uit. “Er komt er één in de VS, één in Japan, en er is ook een Chinees-Japans project. Eigenlijk willen we een nieuwe magneetgeometrie bedenken die minder turbulentie oplevert, en nog kan worden toegepast in één van die nieuwe projecten. Maar ik weet niet of dat gaat lukken, het is kort dag. Mogelijk komen er meerdere opvolgers van ITER; het zou geweldig zijn als daar minstens één stellarator tussen zit.”

Deel dit artikel via je socials