De ultieme energiebron dichterbij

De energievoorziening gaat in zijn huidige vorm niet lang meer mee. De eindige voorraden van olie en gas, en de noodzaak tot terugdringing van de CO2-uitstoot dwingen tot een overschakeling op alternatieve energiebronnen. Volgens de eerste promotor van beide promovendi Prof. Niek Lopes Cardozo, deeltijdhoogleraar fysica van de kernfusie aan de TU/e en hoofd Fusion Research bij FOM Rijnhuizen, is daarbij zeker een rol weggelegd voor kernfusie. In theorie kan een fusiereactor een jaar lang draaien op slechts enkele honderden kilo’s brandstof die bovendien overal voorradig is: zwaar water en Lithium. Om dat echter voor elkaar te krijgen, moet de wetenschappelijke wereld echter nog een paar problemen oplossen. “Kernfusie heeft een heel gunstig, duurzaam, profiel: de brandstof is er voor iedereen en is in wezen onuitputtelijk. Het proces is schoon en veilig en er is geen proliferatie-issue. Daarom werkt de hele wereld ook zo hard samen om het mogelijk te maken. Kernfusie heeft echter als bezwaar dat het technologisch heel moeilijk is. Maar het is onvermijdelijk dat we de wereld van duurzame energie moeten voorzien. Want de vraag naar energie zal enorm groeien ten gevolge van de groeiende welvaart van 4 miljard wereldburgers die nu bijna geen energie gebruiken. Om in die toekomstige vraag te voorzien zijn maar heel weinig opties. Kernfusie is daar een van.”

E=mc2

Kernfusie is eigenlijk het omgekeerde van kernsplitsing, waarop de huidige kerncentrales gebaseerd zijn. Vallen bij kernsplitsing zware atomen uit elkaar, waarbij veel radioactieve straling en afval vrijkomt, bij kernfusie smelten twee lichte atomen samen. Zonder al te veel milieuproblemen. Twee zware waterstofkernen (Deuterium en Tritium) smelten samen tot een Heliumatoom. Deuterium is afkomstig uit water, en Tritium kan gewonnen worden uit het overvloedige metaal Lithium. Deze samensmelting zorgt voor een beetje verlies aan massa, waarbij (E=mc2) energie vrijkomt. In het midden van de zon treden door de enorme zwaartekracht en een temperatuur van 10 miljoen graden Celsius deze processen spontaan op.

250 miljoen graden Celsius

Nu beschikken we op aarde natuurlijk niet over zo’n grote zwaartekracht als de zon. De oplossing die de kernfusiewetenschappers hebben bedacht is om het proces op gang te krijgen met de zogenaamde ITER-reactor. Deze werkt als volgt. Een waterstofplasma wordt in de ringvormige baan opgewekt met grote magnetische velden. Bij een druk van een paar atmosfeer, en bij een temperatuur van 250 miljoen graden Celsius vinden er in het plasma kernfusiereacties plaats. Het gevormde Helium wordt afgevangen, de energie in de vorm van straling wordt in de buitenwand opgevangen. ITER is nog een experimentele reactor, pas de opvolger van ITER zou de opgewekte energie ook aan het elektriciteitsnet kunnen leveren. Het doel van ITER, die in 2016 in bedrijf komt, is om gedurende pulsen van 1000 seconden tienmaal zoveel vermogen uit kernfusiereacties op te wekken dan nodig is om de reactor te bedrijven.

Fundamentele vraagstukken

Voordat het zover is, moet echter nog een aantal fundamentele vraagstukken worden opgelost. Cardozo: ‘De bouw van zo’n reactor is natuurlijk voor een groot deel een industriële activiteit voor de grote industrie en gespecialiseerde bedrijven. Parallel daaraan is er nog flink veel fundamenteel onderzoek nodig. Varshney en Veremiyenko hebben dan ook gewerkt aan de twee belangrijkste fysische uitdagingen. De magnetische turbulentie in het waterstofplasma zorgt nog voor problemen, net als de erosie aan onderdelen van de wand door de enorm hoge warmteoverdracht.’

Magnetische eilanden

Sanjeev Varshney heeft zijn aandacht gericht op de eerste uitdaging, het magnetische veld in het waterstofplasma van de reactor. Om de fusiereacties optimaal te laten verlopen, onderzocht hij twee magnetische fenomenen die dat in sterke mate beïnvloeden. Zogenaamde magnetische eilanden in het plasma, waar het magnetisch veld sterk afneemt, hebben een negatieve invloed op de insluiting van het plasma. En transportbarrières in het plasma bevorderen het insluiten van het plasma. Varshney is er als eerste in geslaagd om een meetmethode te ontwikkelen die deze beide fenomenen inzichtelijk kan maken. Hiermee kan in de toekomst het gedrag van het plasma beter worden begrepen en verbeterd.

Erosie

Victor Veremiyenko heeft zich gericht op de tweede problematiek, het onderdeel van de kernfusiereactor dat de meeste thermische belasting ondergaat. Onderaan de ringvormige reactor bevindt zich namelijk de zogenaamde ‘divertor’, waar de temperaturen aan de wand het hoogste zijn. De erosie aan het speciale carbonmateriaal die daar zal optreden is nu nog onaanvaardbaar hoog. Om dit proces beter te begrijpen, en een divertor te ontwikkelen die lange tijd kan meegaan, heeft Veremiyenko de plasma-wand interactie die in de uiteindelijke ITER-reactor zal optreden kunnen simuleren. Via het combineren van een boogontlading met een sterk magneetveld is hij daar in geslaagd.