Kernfusie uit Twente
De groep voor supergeleiding van de Universiteit Twente heeft een technologische doorbraak bereikt die zij “cruciaal” noemt voor het succes van kernfusiereactoren. Het gaat bij de ontwikkeling van zulke reactoren, als het Europese ITER, om “schone, onuitputtelijke energiewinning gebaseerd op het principe van sterren in het heelal.”
Enorme krachten
Een zeer ingenieus en robuust supergeleidend kabelsysteem moet gaan zorgen voor een bijzonder sterk magneetveld dat de zeer hete plasma in de reactorkern bedwingt en zo de basis legt voor de kernfusie. De nieuwe kabels warmen veel minder op door een uitgekiende manier van vervlechten, waardoor de mogelijkheden om het plasma aan te sturen significant toenemen. In combinatie met een eerdere Twentse vinding weerstaan de kabels bovendien zeer lang de enorme krachten in de reactor.
De verhoogde levensduur van de supergeleiders en de verbeterde aansturing van het plasma maken kernfusie-energie straks betrouwbaarder: de magneet spoelen beslaan een derde van de kosten van een fusiecentrale. Hoe langer die meegaan, hoe goedkoper de energie.
Twente naar China
Projectleider Arend Nijhuis zegt hierover: “De wereldwijde ontwikkeling van kernfusiereactoren is in volle gang en krijgt door deze doorbraak een nieuwe impuls. Onze nieuwe kabels zijn al uitvoerig getest door twee instituten.” Nijhuis is inmiddels uitgenodigd in China en verwacht dat het Twentse systeem een wereldwijde standaard zal worden.
De grootste kernfusiereactor is het project ITER en is in aanbouw in het Franse Cadarache, als een samenwerkingsproject van de VS, de EU, Rusland, India, Japan, Zuid-Korea en China. Maar de laatste twee hebben nu ook hun eigen landelijke grootschalige kernfusieprojecten opgestart, waarin de Twentse technologie kan worden verwerkt.
150 miljoen graden hitte
In het hart van reactor vindt kernfusie plaats in plasma van 150 miljoen graden celcius. Om dat onvoorstelbaar hete plasma in toom te houden is een enorm sterk magneetveld (van 13 Tesla) nodig, dat alleen efficiënt kan worden opgewekt door supergeleiding. Door de holle kabels van de spoelen wordt daarom vloeibaar helium gestuurd. Dit verlaagt de temperatuur tot zo’n 4,5 K (-269 °C) waardoor de weerstand in de kabels wegvalt en de stroomsterkte kan oplopen tot de 45.000 Ampère waarbij het opgewekte magneetveld het plasma bedwingt.
Die immense stroomsterkte zet de draden echter ook zo onder druk dat snelle slijtage voorkomen moet worden. Bovendien kan door de snelle magneetveldwisselingen de temperatuur van de kabels te ver oplopen, waardoor de supergeleiding wegvalt en het fusieproces uitdooft. Precies dat probleem is nu opgelost door de supergeleidende draden van de spoel op een bijzondere manier te vervlechten.
Vlechten en spiralen
De polsdikke kabels op (zes) spoelen met een totale hoogte van 13 meter in de fusiereactor zijn opgebouwd uit vervlochten draden van 0,8 mm dik. Eerst worden drie van deze dunne draadjes gebundeld: twee van supergeleidend niobiumtin en een van koper. Dit koper maakt het geheel bestand tegen opwarming tijdens een ongewenste plotselinge beëindiging van de supergeleidende toestand.
Van deze eerste vlechten worden er steeds drie samengepakt en in elkaar gedraaid. Daarna gaat het vlechtingsproces verder tot de gewenste dikte. De lengte waarover de draad spiraliseert -de spoed- en de onderlinge verhoudingen tussen de opeenvolgende vlechten blijken cruciaal. Verhoogde spoed van de eerste vlechten maakt de kabels beter bestand tegen de mechanische mega-krachten en voorkomt sterke vervormingen.
De in Twente voorspelde, maar internationaal meest verrassende doorbraak is echter dat de nieuwe ‘spoed-verhoudingen’ de kringstromen tussen de draadjes zo sterk reduceren dat de kabels veel minder opwarmen en dus supergeleidend blijven. Met de nieuwe bekabeling is dus de kans dat kernfusie-energiecentrales straks betrouwbaar stroom leveren sterk toegenomen.
