Kernfusie geldt al decennia als dé droom van schone energie: een bijna onuitputtelijke krachtbron, met nauwelijks schadelijk afval. Maar om die droom waar te maken, moeten nog tal van technische problemen worden opgelost. Een van de grootste uitdagingen is de hitte. In een fusiereactor ontstaan temperaturen en warmtestromen die vele malen extremer zijn dan zelfs de oppervlakte van de zon. Nederlandse onderzoekers hebben nu misschien een deel van deze puzzel opgelost.
Bij kernfusie worden lichte atoomkernen, zoals waterstof, samengevoegd tot zwaardere kernen. Dat proces levert gigantische hoeveelheden energie op. Het is hetzelfde principe dat onze zon aandrijft. In tegenstelling tot kernsplijting (het principe dat in hedendaagse kernreactoren wordt gebruikt, waarbij zware kernen juist worden gesplitst) ontstaat er bij fusie nauwelijks langlevend radioactief afval. Een ander voordeel is dat het veilig is. Indien er iets zou misgaan, stopt de reactie vanzelf. Daarom wordt fusie vaak de ‘heilige graal’ van schone energie genoemd.
Er zijn echter talloze problemen die moeten worden opgelost voordat kernfusie klaar is om stroom te leveren. Een van de grootste problemen is dat fusie extreem hoge temperaturen vereist. In de reactorkern loopt de temperatuur op tot meer dan 100 miljoen graden Celsius. Bij die temperaturen verandert materie in plasma: een gloeiende soep van geladen deeltjes. Dat plasma moet met extreem sterke magneetvelden in bedwang worden gehouden, want geen enkel materiaal kan direct zulke temperaturen verdragen. Maar wat gebeurt er met al die energie als het plasma uiteindelijk toch de wanden van de reactor raakt?
Het hitteprobleem
Deze extreme hitte komt terecht in de zogenaamde divertor. Dat is de ‘uitlaat’ van de fusiereactor waar het afgekoelde plasma naartoe stroomt. Bij kleine experimentele reactoren is dat nog beheersbaar, maar bij grote centrales niet meer. “De verwachting is dat dit een enorm probleem gaat zijn voor machines op reactorschaal omdat deze een gigantische hitteontwikkeling in de kern hebben, gecombineerd met een relatief kleinere oppervlakte waar deze hitte over verspreid wordt. We hebben het over warmtefluxen die honderden keren groter zijn dan de hitte die de spaceshuttle ondervond bij de terugkeer naar de aarde”, vertelt Bob Kool, onderzoeker bij energie-instituut DIFFER en de TU Eindhoven, aan Scientias.nl. “Er bestaat simpelweg geen materiaal dat zo’n belasting aankan.”
Meer tijd en ruimte om te koelen
Daarom kijken onderzoekers naar nieuwe ontwerpen, zoals de zogeheten Super-X-divertor. In plaats van een korte, rechte uitlaat, krijgt de divertor langere ‘benen’, waar het plasma meer tijd en ruimte heeft om af te koelen voordat het de wand bereikt. Het concept is met succes getest op de Britse onderzoeksmachine MAST Upgrade.
“Het grote voordeel van veel alternatieve configuraties, zoals de Super-X, is dat deze simpelweg een groter werkgebied hebben”, vertelt Kool. “Fluctuaties die normaal te snel zijn om op te vangen, en dus de divertor beschadigen of de kern beïnvloeden, kunnen zo passief worden opgevangen.”
Kools collega Kevin Verhaegh (TU Eindhoven) vergelijkt de Super-X met een schokdemper. Doordat het magneetveld langs de ‘benen’ geleidelijk verandert, kan het plasma makkelijker loskomen van de wand, een proces dat detachment heet, en dat voorkomt ernstige schade.
Kleine aanpassingen, grote voordelen
Misschien nog belangrijker: reactoren hoeven niet per se een volledige Super-X te gebruiken om de voordelen te ervaren. Volgens Kool zijn veel voordelen van de Super-X ook zichtbaar in een eenvoudigere tussenvorm, de zogeheten Elongated configuratie. Dat betekent dat reactoren met relatief kleine aanpassingen aan de vorm van de uitlaat al flink beter bestand zijn tegen de extreme hitte.
Compacte reactoren binnen handbereik
De ontdekking komt er op een belangrijk moment. Terwijl het internationale ITER-project vasthoudt aan klassieke ontwerpen, werken verschillende bedrijven en instituten aan compactere reactoren die eerder klaar moeten zijn. En juist die ontwerpen hebben baat bij een betere hitteafvoer.
“Het hitteprobleem is groter in meer compacte ontwerpen, omdat zij een vergelijkbare hoeveelheid energie genereren in een kleiner reactorontwerp”, legt Kool uit. “Alternatieve divertoren worden vaak als noodzakelijk beschouwd voor dit soort compacte reactordesigns, en ons werk draagt bij aan de realisatie van dit soort ontwerpen, en dus ook aan de versnelling van de realisatie van kernenergie.”
Verhaegh voegt toe dat dit onderzoek niet alleen theoretisch belangrijk is. “Dit onderzoek toont aan dat deze concepten zeer sterke voordelen kunnen hebben (betere hittemanagement en het controleren daarvan) en dat we begrijpen waar deze voordelen vandaan komen.”
Wanneer hebben we dan fusie-energie?
De onderzoekers zijn voorzichtig met voorspellingen. Er zijn nog heel wat hindernissen voor fusie-energie, zegt Verhaegh. Denk aan het voorkomen van verstoringen in het plasma, of het produceren van de benodigde brandstof, tritium. Ook moeten de resultaten van dit onderzoek verder worden gevalideerd. “Een limiterende factor van dit onderzoek is dat de Super-X eigenlijk ‘te goed’ werkt: de Super-X divertor is altijd koud (zelfs zonder iets te doen)”, aldus Verhaegh.
De onderzoekers zijn echter optimistisch. Het project maakt deel uit van een brede internationale samenwerking. “Binnen dat onderzoek hebben we ook in de laatste paar maanden veel progressie geboekt op andere machines met alternatieve divertorconcepten. Het feit dat we kunnen aantonen dat de alternatieve concepten (die allemaal op min-of-meer gelijkwaardige principes gebaseerd zijn) in meerdere machines zo goed werken, vergroot de maturiteit van deze concepten nog een stuk verder”, concludeert Verhaegh. En dat brengt de belofte van kernfusie opnieuw een stap dichterbij.
