- Onderzoek
- 14/11/2018
Meten aan de warmste en koudste plek ter wereld
TU/e-alumnus en plasmadeskundige Maarten De Bock zet al elf jaar lang zijn tanden in methoden om het grillige plasma van kernfusiereactor ITER te analyseren. Dit ondanks talrijke technische obstakels en grote onzekerheden over de economische haalbaarheid van kernfusie. “De potentiële voordelen van fusie geven voldoende redenen om het op zijn minst te onderzoeken en te proberen.”
Vanuit zijn kantoorraam in het hoofdgebouw, waar honderden wetenschappers van allerlei nationaliteiten werken, ziet Maarten De Bock hoe het grootste kernfusieproject ter wereld langzaam gestalte krijgt. Achter een steile dijk zijn hijskranen onophoudelijk bezig met het takelen en lossen van onderdelen. “Toen ik hier kwam werken, was het nog een bouwput”, zegt de plasmadeskundige van ITER. “Nu is 85 procent van de gebouwen klaar.”
Hier, op een afgelegen terrein in het Provençaalse dorpje Saint-Paul-lez-Durance, proberen wetenschappers aan te tonen dat kernfusie in de toekomst een haalbare methode voor grootschalige energieopwekking kan zijn.
Die methode heeft nogal wat voeten in de aarde. Het idee is geïnspireerd op de zon, waar samensmeltende waterstofkernen zorgen voor de energie die onze aarde bewoonbaar houdt. Zo’n fusie van ‘normale’ waterstofkernen zou op aarde een veel te hoge druk vereisen. In de Tokamak, de fusiereactor van ITER, zullen daarom zwaardere typen waterstofdeeltjes, deuterium en tritium, in een plasma van 150 miljoen graden tegen elkaar botsen en versmelten tot helium. Daarbij komt idealiter vijf tot tien keer zoveel energie vrij (in de vorm van neutronen) als erin wordt gepompt.
Zo ver is het nog lang niet: talrijke technische problemen wachten nog op een oplossing en De Bock is een van de mensen die er zijn tanden in zet.
Kernfusie: het principe is eenvoudig
Bij ITER kijken ze de kunst voor de toekomstige energievoorziening af van de zon en sterren. Video | ITER
Waanzinnig groot
Wie een kijkje neemt op het terrein waar de Tokamak moet verrijzen, snapt pas echt hoe waanzinnig groot en complex de installatie wordt. De werklui die isolerende tape draaien om de gigantische magneetspoelen die het plasma in bedwang moeten houden, leggen tientallen meters af om er één keer omheen te wandelen. Toch moeten de spoelen op de millimeter nauwkeurig worden gefabriceerd.
De cryogene installaties met vloeibare stikstof en helium die de magneten ijskoud en supergeleidend moeten maken, vullen een ruimte waar een paar flinke sporthallen in passen. En het betonnen gebouw waarin de Tokamak zal huizen, doet denken aan een iets kleinere uitvoering van het Colosseum.
Even een moertje aandraaien
De reactor zal 23.000 ton wegen en ongeveer een miljoen onderdelen bevatten, maar als het ding eenmaal af is, kan geen mens er meer in om even een moertje aan te draaien. Toch moeten de wetenschappers exact weten wat er in het donutvormige hart van de reactor gebeurt: is het plasma wel stabiel, welke temperatuur en dichtheid heeft het, wat is de samenstelling? Die kennis is nodig om precies de juiste omstandigheden voor de kernfusie te creëren.
In de betonnen wand rondom de Tokamak zitten daarom ronde en vierkante uitsparingen, waarin onder meer de meetapparatuur past waarmee Maarten De Bock zich sinds 2014 bezighoudt. Die apparatuur vertoont allerlei overeenkomsten met die in satellieten. De machines moeten behoorlijk robuust zijn: zoals satellietapparatuur een lancering en de zonnewind moet overleven, moet de apparatuur in de Tokamak tegen de schok van een eventuele plasma-eruptie kunnen en tegen de straling die vrijkomt bij de fusiereactie.
Zelfs vingerafdrukken kunnen het vacuüm aantasten
Beide soorten apparatuur zijn niet snel even te repareren, ze zijn peperduur en een gedeelte van de onderdelen moet functioneren in een vacuüm. “Dat is best lastig, want je kunt geen perslucht of olie gebruiken en zelfs vingerafdrukken kunnen het vacuüm aantasten”, vertelt De Bock. Ten slotte meten ze zaken die je niet direct kunt aanraken en die je dus indirect moet meten op basis van vrijkomende straling: zichtbaar licht, microgolven, infrarode straling, uv- en röntgenstraling en radiogolven.
Meten met licht
Neem bijvoorbeeld het meten van de temperatuur van de geladen deeltjes in het plasma. Dat ziedend hete plasma zou een sensor direct doen wegsmelten. De deeltjes zenden echter licht uit van een golflengte die hun temperatuur verraadt. Spiegels aan de binnenzijde van de Tokamak reflecteren dit licht in de goede richting, waarna het via glazen raampjes en lenzen terechtkomt in glasvezelkabels. De glasvezelkabels zijn weer gekoppeld aan optische spectrometers (lichtmeters) in een nabijgelegen gebouw. Voor het meten van de magneetvelden schieten de onderzoekers laserstralen door het plasma. Spiegels weerkaatsen het laserlicht, dat weer wordt opgevangen en geanalyseerd: minieme veranderingen van de polarisatierichting van het laserlicht leggen informatie over het magneetveld bloot.
“Zo zijn er wel vijftig verschillende diagnostiekmethoden en honderd verschillende diagnostiekprojecten bij ITER”, zegt De Bock. “Dat komt doordat ITER nog een experiment is. Bij DEMO (de fusiereactor die ITER moet opvolgen als alles goed gaat, red.) zullen die aantallen veel kleiner zijn. We moeten eerst de meest kostenefficiënte methoden achterhalen.”
Samenwerking met alma mater
De Bock promoveerde elf jaar geleden aan de TU/e op plasmacontrole in de Tokamak. Hoewel hij sinds 2014 een vaste aanstelling heeft bij ITER, werkt hij nog regelmatig samen met zijn alma mater.
Zo start binnenkort een groot meetproject, geleid door TNO, waarbij ook onderzoeksinstituut DIFFER en de TU/e zijn betrokken. De bedoeling van het project is om de dichtheid en de samenstelling van het plasma te bepalen met behulp van spectroscopie. “De elektronen in de reactor bewegen chaotisch heen en weer en zenden meer licht uit, naarmate er meer elektronen zijn. Op basis daarvan kun je de dichtheid van het plasma bepalen”, legt de ingenieur uit.
Het kleurenspectrum van het uitgezonden licht verraadt verder welke verschillende stoffen in het plasma rondzweven. Dat zijn niet alleen de brandstoffen en het helium dat na de fusie ontstaat. “Er zijn ‘verontreinigingsstoffen’, zoals neon en koolstof, die extra informatie kunnen verschaffen over het plasma”, vertelt De Bock. Neon voegen de onderzoekers zelf toe om de warmte gelijkmatig te verdelen, koolstof niet. Het metaal van de reactorwand bevat echter wel koolstofatomen, die mogelijk loskomen wanneer ionen uit het plasma tegen de wand schieten. “Als blijkt dat er vanzelf koolstofatomen in het plasma komen, hoeven we misschien minder of geen neon toe te voegen om te meten.”
Met dit meetsysteem kunnen we ook deeltjes ontdekken die we in eerste instantie niet verwachten
Het meetsysteem zal de onderzoekers in staat stellen niet alleen koolstof en neon, maar een brede reeks aan materialen te ontwaren. “Met dit meetsysteem zullen we een breed lichtspectrum opvangen”, zegt De Bock. “Zo kunnen we ook deeltjes ontdekken die we in eerste instantie niet verwachten.”
Een Eindhovense promovendus zal waarschijnlijk een plasmamodel koppelen aan een model van het diagnostieksysteem, zodat de onderzoekers van tevoren virtueel aan allerlei knoppen kunnen draaien om het systeem te optimaliseren.
Megalomane gekkigheid
De hijskranen, de futuristisch ogende onderdelen die wachten op assemblage, de onderzoekers van allerlei nationaliteiten die druk discussiërend voorbij lopen: alles draagt hier bij aan een enthousiasmerende sfeer van bedrijvigheid. Ongeveer 57 procent van de apparatuur is af. Niettemin gaat het volgens de planning zeker tot 2030 duren voordat de fusiereactor eindelijk een paar minuten lang energie zal produceren. Nog eens tien jaar later moet dit gedurende een uur lukken. Pas als investeerders er tegen die tijd brood in zien de technologie te vercommercialiseren, kunnen we in de jaren vijftig wellicht (deels) door kernfusie opgewekte stroom uit ons stopcontact trekken.
Mede door die lange aanlooptijd en de telkens bijgestelde kostenraming - momenteel zo’n twintig miljard euro - zetten sceptici het project nogal eens weg als megalomane gekkigheid. Het in bedwang houden van het plasma zou volgens hen onbegonnen werk zijn. Het plan is om het benodigde tritium binnenin de reactor te genereren uit lithium, maar vooralsnog komt de schaarse brandstof uit een naburige kerncentrale. Verder is het gaande houden van de reactor een kostbare zaak en ontstaat er een (beperkte) hoeveelheid radioactief afval.
Maak een virtuele wandeling door ITER-in-aanbouw.
Dat ITER uiteindelijk energie gaat opleveren, daarvan ben ik 99 procent zeker
Aan het andere uiterste van het spectrum staan kernfusiefans die in de technologie het antwoord zien op al onze energieproblemen. De Bock behoort tot geen van beide kampen. Hij is voorzichtig optimistisch. “Dat ITER uiteindelijk energie gaat opleveren, daarvan ben ik 99 procent zeker. Of dat al in 2030 zal gebeuren, daarvoor zou ik mijn hand niet in het vuur willen steken. Die kans schat ik op zeventig tot tachtig procent.”
Dat het project technisch mogelijk is, zegt echter nog niets over de economische haalbaarheid. “Die is van zoveel dingen afhankelijk: hoe snel zal de reactorwand slijten? Hoe snel zakken de materialen in prijs? ITER is nu de enige afnemer van het materiaal van het reactorvat (het zeer robuuste staal beryllium, red.), dat is dus peperduur.”
Aan de andere kant heeft ITER gezorgd voor een toename van fabrikanten van supergeleidende spoelen, wat de prijzen heeft doen zakken. En wie weet, is er over twintig jaar wel supergeleiding mogelijk bij kamertemperatuur. De Bock: “De potentiële voordelen van fusie op het gebied van toegankelijke en veilige brandstof en een minimum aan afval geven volgens mij voldoende redenen om het op zijn minst te onderzoeken en te proberen.”
Donutvormige zon
Als hij eenmaal werkt, zal de kernfusiereactor in Cadarache de heetste én de koudste plek ter wereld in zich verenigen. De Russen Igor Tamm en Andrei Sakharov bedachten in 1950 al het basisontwerp van de Tokamak, de kernfusiereactor van ITER. Het hart van de reactor is een donutvormige vacuumkamer, waarin een plasma van geladen deeltjes hangt. Het plasma heeft een temperatuur van 150 miljoen graden, nog heter dan de zon. Dat is nodig om de kernfusie te bewerkstelligen. De hitte die daarbij vrijkomt, wordt door koelwater in de vacuümwand afgevoerd.
Hoewel de doorsnede van de plasma-ring slechts zes meter is, is die van de hele Tokamak nog ongeveer vijf keer zo groot. Dat komt vooral door de gigantische supergeleidende magneten die de vacuumkamer omringen. Zij zorgen, samen met een elektrische stroom door het plasma zelf, voor de magnetische velden die het plasma doen onstaan en op zijn plaats houden. Zonder die magnetische velden zou de wand van de vacuumkamer het snel begeven en het plasma zelf zou afkoelen.
De magneten worden met vloeibaar helium op een temperatuur gehouden van 4 Kelvin (-269 graden Celsius). Bij die temperatuur wordt het materiaal waarvan de magneten zijn gemaakt, niobium-titanium, supergeleidend. Er kan zo meer stroom door, zodat de magneten een energie van 51 gigajoule bereiken. De cryostat, de buitenkant van de Tokamak, zorgt voor de kou en het vacuüm van het systeem.
Politiek gesteggel
‘Echt vertrouwen in elkaar moet gebaseerd zijn op daden, niet simpelweg op woorden’, zei de Amerikaanse president Ronald Reagan tijdens een top met zijn Sovjet-collega Michael Gorbatsjov in 1985. Tijdens die bijeenkomst spraken de leiders van de twee wereldmachten onder meer de intentie uit om samen te gaan werken aan kernfusie. Twee jaar later werd het project International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) geboren. In de loop der jaren sloten Europa, Japan, Zuid-Korea, India en China zich bij het project aan.
Dat gezworen vijanden nog tijdens de koude oorlog elkaar de hand reikten om van kernfusie een succes te maken, mag bijzonder heten. Niettemin halen politieke strubbelingen sindsdien nogal eens de vaart uit het project. In 2000 werd besloten dat een werkende fusiereactor in 2018 haalbaar moest zijn. Gesteggel over de locatie en de bijdrage aan ITER door elk van de partners duurde echter tot 2006. Pas in 2009 ging de eerste spade de grond in. De planning werd in 2015 wijselijk bijgesteld.
Europa zal ongeveer 45,5 procent van de kosten op zich nemen, de overige zes partijen betalen elk 9,1 procent. De betaling geschiedt niet in geld, maar in natura, zodat het bedrijfsleven van de partners zoveel mogelijk profiteert van het miljardenproject.
Zo verzorgt Europa het grootste deel van het reactorvat, terwijl India het koelsysteem levert en Japan enkele magneten. Voor elk nieuw onderdeel of extern onderzoeksproject moeten de projectleiders van ITER zich richten tot een van de zeven agentschappen die namens de deelnemende partijen aanbestedingen uitschrijven. Vervolgens kunnen universiteiten, bedrijven, of kennisconsortia hierop reageren.
Bureaucratische rompslomp
Een voordeel van deze werkwijze is dat belangrijke know-how op het gebied van kernfusie verspreid raakt over de deelnemende landen. Het nadeel is dat veel tijd en geld verloren gaat aan bureaucratische en juridische rompslomp. In de praktijk blijkt bovendien dat het bedrijfsleven van slechts enkele landen het gros van de opdrachten binnensleept. In Europa zijn dat Frankrijk, Duitsland, Italië en Spanje.
Hoewel er zo nu en dan wat gemopper klinkt over de agenschappen, baart de dreigende Brexit de wetenschappers meer zorgen: het is nog onduidelijk wat die voor gevolgen zal hebben voor ITER. De eendracht waarmee honderden wetenschappers uit 34 landen samenwerken in Cadarache, strookt nog steeds niet altijd met de politieke werkelijkheid in de rest van de wereld.
Discussie