'Dit kan zomaar de redding van kernfusie zijn'

Fysica Duitse wokkelreactor moet kernfusie redden

Een op het eerste gezicht niet serieus te nemen gekronkeld apparaat, de Wendelstein 7-X in Duitsland, moet de redding worden van kernfusie, dat al zo lang alleen in theorie de energiebron van de toekomst is.

Een technicus bij een onderdeel van de Wendelstein 7-X in de constructiehal van het Max Planck Institut für Plasma Physik in Grefswald, pal aan de Oostzee. Beeld IPP

Bezoekers van het Max Planck Institut für Plasma Physik in het Noord-Duitse Greifswald wanen zich in de centrale constructiehal van het instituut beland in een futuristisch stripverhaal. Een hyperactieve lasser lijkt er op aanwijzingen van een losgeslagen tekenaar geprobeerd te hebben de ingewikkeldste machine ter wereld te realiseren. Een reusachtig cirkelvormig vat op poten is aan alle kanten bezet met een stortvloed aan stalen buizen, pijpen, kabelgoten, patrijspoorten en flenzen, allemaal uitgevoerd in hetzelfde matte staal. De details zijn zo overvloedig, dat het op eerste gezicht onmogelijk nog een een serieus wetenschappelijk instrument kan zijn.

Dat is deze Wendelstein 7-X dus wel, zegt de Nederlandse plasmafysicus Marc Beurskens, een atletische kalende veertiger met uilebril en baardje die sinds juni bij het Duitse instituut pal aan de Oostzee werkt. 'Sterker, dit apparaat zou op de langere termijn zomaar de redding van kernfusie kunnen blijken. Hier in Duitsland gaan we ideeën testen die al veel te lang zijn blijven liggen.'

Dat lijkt vreemd. Is niet uitgerekend kernfusie, het versmelten van waterstofatomen in ingewikkelde en schreeuwend dure reactoren, het speelveld van de internationale gemeenschap? Sterker, er wordt toch al jaren hard gebouwd aan de volgende stap in dat verband, de internationale ITER-reactor in het zuiden van Frankrijk. Een kolos van een machine wordt dat, nog steeds bedoeld voor onderzoek en niet voor stroomproductie, waaraan zes naties samenwerken. Inclusief de EU en daarmee dus Duitsland, dat kennelijk op eigen houtje toch ook nog iets heel anders probeert.

Bouwplaats

Op de onwezenlijk grote bouwplaats in de bossen bij Cadarache in Zuid-Frankrijk zijn inderdaad kantoren verrezen en ligt op een plaat beton van tientallen voetbalvelden groot het stalen fundament voor de reuzenreactor. Een woud van armdikke bouten wacht op wat er komen moet. Nu en dan worden inderdaad reusachtige componenten in convoi exceptionnel moeizaam over de weg aangevoerd vanuit Marseille. Die worden tot nader order in een van de constructiehallen geparkeerd.

Want in feite schiet ITER geen meter op. De startdatum is in de loop der jaren steeds weer opgeschoven. 'ITER dreigt een grote pile of poo te worden', zegt de Nederlandse fusie-researcher Marco de Baar van het Eindhovense energieinstituut Differ, recht door zee als altijd. 'De politici en juristen zijn aan de macht, veel betrokken wetenschappers ergeren zich rot aan de gang van zaken. Het is allemaal zo frustrerend.'

Echt verbazingwekkend is de slakkengang van ITER niet. Het project werd in de jaren tachtig door de presidenten Reagan en Gorbatsjov bedacht, zowel om de energiebron van de toekomst te ontwikkelen, als om het einde van de Koude Oorlog te markeren. Probleem van die politieke achtergrond, zegt directeur Tony Donné van Eurofusion, een club die fusieresearch binnen de EU coördineert, is dat ITER van nature ook gevangen is in politieke reflexen. 'Alles wordt netjes verdeeld, tot de directeursposities aan toe, en in natura geleverd. Van het vacuümvat van de reactor wordt tweenegende in Korea gebouwd en zevennegende in Europa. Met net weer wat verschillende specificaties. Alles, iedere bout, iedere moer is een probleem. Dat wil je eigenlijk niet.'

Toch is er ook hoop voor ITER. Vorig jaar werd de Fransman Bernard Bigot aangesteld als directeur, afkomstig uit de nucleaire industrie in plaats van een oud-ambassadeur, zoals daarvoor gebruikelijk leek. En komende week zal Bigot tijdens de jaarvergadering van de ITER-council een poging doen tot een spreekwoordelijke staatsgreep. Tot nog toe heeft ITER nauwelijks eigen budget, alles wordt door de deelnemers betaald of in natura, lees door eigen industrie vervaardigde onderdelen, geleverd. Bigot wil nu een eigen miljardenbudget en belooft ook wat: een werkende ITER-reactor in 2025. 'Als Bigot het niet kan, kan niemand het. Dan moeten we vrezen voor ITER', zegt Donné.

De bouwplaats van de Wendelstein 7-X. Beeld IPP
Opengewerkt model van de Wendelstein 7-X die, is het plan, nog dit jaar in gebruik gaat. Beeld IPP

Argwaan

Hoe anders, zegt de Nederlandse natuurkundige en fusie-expert Marc Beurskens, gaat het toe bij Wendelstein 7-X in Greifswald in het uiterste noordoostpuntje van Duitsland. Er is daar weliswaar ook gedonder met het bondsland Mecklenburg-Vorpommern. Alles wat enigszins nucleair lijkt, kan in Duitsland nu eenmaal rekenen op argwaan van de bevolking. Maar dat zijn formaliteiten, bezweren de autoriteiten, omdat de reactor nog helemaal geen kernversmeltingen zal najagen, maar alleen nieuwe kennis.

Die is hard nodig ook. Want zelfs met een vlotgetrokken ITER-reactor is kernfusie nog lang geen gelopen race. Decennia research en ontwikkeling hebben niet alleen veel kennis opgeleverd, maar ook het inzicht dat donutvormige plasma's van nature instabiel zijn. Het veilig besturen van een gas van honderdduizenden graden is daarmee een nachtmerrie voor ingenieurs als Marc Beurskens.

Beurskens (45) promoveerde in 1999 in Eindhoven op onderzoek naar het plasma van waterstofatomen dat nodig is voor kernfusie, waarna hij bij de toen grootste testreactor ter wereld ging werken: JET in Culham, Engeland. 'Toen ik mijn promotiewerk deed, dacht ik echt dat ik in mijn loopbaan de eerste fusiecentrale in bedrijf zou zien. Dat is wel even anders gelopen, en niet alleen vanwege de eeuwige politiek.'

Kernfusie

Het principe van kernfusie is namelijk simpel, de praktijk een nachtmerrie. Bij fusie worden lichte waterstofkernen (of andere lichte kernen als deuterium of tritium) zo dicht op elkaar geperst dat ze hun elektrische afstoting overwinnen en nucleair samensmelten tot helium. De energie die in een heliumkern is samengebald is kleiner dan die van twee afzonderlijke waterstofatomen, en dus schiet er per fusiereactie energie over. Om die vrijkomende energie is het te doen in een fusiereactor. Daarmee kan, net als in een kolencentrale, stoom worden gemaakt en kunnen turbines worden aangedreven en generatoren die uiteindelijk stroom leveren.

Tot zover de natuurkunde. De benodigde techniek is een andere kwestie. Voor fusie is een temperatuur nodig van zeker 100 miljoen kelvin, vele malen heter dan het binnenste van de zon. Geen omstandigheden waaronder aardse materialen kunnen bestaan, ieder contact met de ziedende plasma's is fataal.

Het was onder meer de later als dissident en Nobelprijswinnaar beroemd geworden Russische fysicus Andrej Sacharov die een oplossing bedacht: magnetische opsluiting van het plasma. Door het plasma te vangen in een donutvormig vat dat is omgeven door sterke elektromagneten, blijft het hete atoomgas zweven en wordt het samengeperst, zeker als er nog een sterke elektrische stroom in wordt rondgejaagd.

Een man werkt aan de Wendelstein 7-X.

In de jaren zestig werd dit zogeheten tokamak-principe in Moskou gedemonstreerd en daarna snel omarmd; zó moest je een fusiereactor bouwen. JET en een reeks andere experimentele reactoren, bijvoorbeeld in de VS en Japan, zijn als tokamak gebouwd.

En ook de ITER in Zuid-Frankrijk heeft de opzet van een donut, zij het de grootste ooit: met een reactorvat van 840 kubieke meter, 19 meter buitendiameter, 11 meter hoog. In het gewicht van 8.500 ton zijn de immense supergeleidende elektromagneten nog niet meegerekend.

Het grote voordeel van de tokamak, zegt fusie-expert Beurskens, is de relatieve eenvoud. 'Het systeem is naar alle kanten symmetrisch. Dat maakt het nadenken over wat er gaande is een stuk eenvoudiger.' De eenvoud heeft ook een verschrikkelijke keerzijde: instabiliteit. Tokamaks hebben door de stroom die erin rondgaat voortdurend de neiging om elektrisch contact van het plasma met de wanden te maken. Zulke krachtige doorslagen zijn niet alleen funest voor de fusiereacties die meteen stoppen, ze beschadigen ook de wanden. Een nachtmerrie voor technici.

Risico

In de loop der jaren is er immens veel research gestoken in het beteugelen van het plasma in een tokamak. Er zijn allerlei slimme oplossingen die de ontsporing zien aankomen en tegengaan. Maar een risico blijft het, zegt Beurskens. 'Terwijl de natuur in feite zelf een oplossing aandraagt.'

Steeds meer experts denken dat het eigenwijze ontwerp van Wendelstein 7-X een elegante oplossing voor een eindeloze reeks technische worstelingen van de gangbare fusiereactoren kan bieden. Het geheim: een fuserend waterstofplasma dat er niet uitziet als een binnenband, maar om zijn as gewonden is als een wokkel. Dat geeft natuurlijke stabiliteit aan iets wat eigenlijk pure waanzin is: het hart van de zon nabouwen in een vat op aarde.

Die oplossing heet stellerator en is een plasmaring die om zijn as is gedraaid als een wokkel. Daardoor hoeft geen elektrische stroom rond te gaan om het plasma bij elkaar te houden, zoals in een donutreactor. Daardoor treden er in principe ook geen gevaarlijke doorslagen op. Bijkomend voordeel, laat Beurskens aan de hand van ingewikkelde grafieken zien, is dat er in de wokkelreactor meer wandoppervlak is om alle verzengende hitte uit het plasmavolume af te voeren. Minder zorgen over schade dus.

De Wendelstein 7-X wordt in elkaar gezet.

Tot nog toe is de stellerator, op wat kleinere experimenten na, theorie. In de hallen van het Max Planck Instituut in Greifswald staat na jaren bouwen nu eindelijk de praktijk: een van de meest bizarre installaties die ooit zijn bedacht en geconstrueerd. Om de benodigde verdraaiing van het ziedende plasma te bereiken is de reactor geen torus of donut, maar een aaneenschakeling van min of meer peervormige tunnelelementen die telkens wat verder zijn gekanteld. Het geheel is omgeven door merkwaardig gevormde elektromagneten die onder vreemde hoeken zijn geplaatst. Het reactorvat heeft een buitendoorsnede van 11 meter.

Voor het eind van het jaar, is het plan, zal er voor het eerst een wolk waterstofgas in tot ontbranding worden gebracht.

'Ik moet eerlijk bekennen dat ik nog iedere dag moeite heb na te denken over zo'n totaal asymmetrisch, verdraaid systeem', zegt Beurskens, die na een tussenstop in München nu net een half jaar bij Wendelstein 7-X werkt als expert in plasmametingen. 'Alles hangt met alles samen, nergens zijn twee plekken en condities hetzelfde. Dat is enorm wennen.' Voor zijn eigen geestelijk welzijn heeft hij op zijn tafel 3D-geprinte plasmamodellen van rood plastic liggen, driemaal gedraaid, vijfmaal, tien. Voor als hij toch even de weg kwijt is. Of als er bezoek komt.

Fusie vs. Splijting

Kernfusie is een bijzondere vorm van kernenergie. Gewone kernreactoren splijten zware uraniumkernen en winnen de vrijkomende warmte. Zulke kernreacties beginnen vanzelf te lopen als er genoeg radioactief uranium bij elkaar is gebracht. Bij kernfusie worden juist lichte atomen bij hoge temperatuur nucleair aan elkaar gesmeed. Dat kost veel energie, maar levert uiteindelijk nog veel meer energie op. Kernsplijting gebruikt uranium, dat uit erts gewonnen moet worden, gezuiverd en verrijkt. Kernfusie draait in principe op waterstof of deuterium, waarvan 30 gram in elke willekeurige liter water zit. Een kilo deuterium levert anderhalf keer zoveel energie als een kilo uranium. Kernsplijting produceert stelselmatig hoog-radioactief afval en wapengevaarlijk plutonium. Bij fusie ontstaat alleen neutronenstraling en wordt alleen de reactorwand door de neutronenstraling radioactief afval.

Break-even

De eerste jaren zal in Greifswald alle aandacht gericht zijn op de gedragingen van de verdraaide waterstofplasma's in de reactor, zegt Beurskens. Pas als de onderzoekers dat in de vingers hebben, kan daadwerkelijk kernfusie overwogen worden. Daarbij is nog steeds geen sprake van zogeheten break-even: evenveel energie maken als er voor druk en temperatuur in is gepompt. Dat moet ITER in Zuid-Frankrijk wel halen, zij het ook nog maar zo nu en dan, want continubedrijf is nadrukkelijk iets voor een volgende stap. Wendelstein wil rond 2020 tests doen waarbij tot een half uur lang continu fusie-energie wordt opgewekt. Dat zou niet alleen een wereldrecord zijn, maar ook pijnlijk voor ITER. Dat mag blij zijn als het in 2025 eindelijk draait.

Wendelstein 7-X, zegt de Europese fusie-aanjager Tony Donné, is zonder meer een belangrijke ontwikkeling. Maar het is, benadrukt hij, een researchinstallatie met nog niet de helft van het volume dat nodig is voor een echte kernfusiereactor van een paar megawatt. 'De komende jaren moet blijken of ze inderdaad kernfusie bereiken en hoe het systeem zich gedraagt. Zo'n grote stellerator hebben we gewoon nog nooit in actie gezien. Alles is nieuw.'

De resultaten van Wendelstein 7-X, denkt Donné, gaan vooral een rol spelen in de stap die ná ITER moet komen: een fusiereactor waarmee echt continu stroom opgewekt moet gaan worden. Van die zogeheten DEMO zijn alleen de contouren bekend. De start ervan staat nog met potlood in de agenda's voor ergens halverwege deze eeuw.

Voor megaproject ITER is het veel kleinere Wendelstein 7-X voor alle duidelijkheid geen rechtstreekse concurrent, denkt Donné. Maar daarna wel. 'Ik denk dat over een paar jaar de donutreactor lang niet meer zo vanzelfsprekend zal zijn.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.