De experimentele fusiereactor ITER heeft het moeilijk. Nederlandse wetenschappers schieten te hulp.

Op dit moment wordt in het zuiden van Frankrijk een fusiereactor gebouwd: ITER. Het is een internationaal project waar niet alleen de EU, maar ook onder anderen de VS en China aan meewerken. Het gaat om een experimentele fusiereactor die uiteindelijk aan moet gaan tonen dat kernfusie een betrouwbare en betaalbare energiebron is. Welbeschouwd moet ITER dus een groot deel van de energieproblematiek gaan oplossen.

Probleem
Dat klinkt veelbelovend. Maar ITER is nog niet af en nu al stuiten de onderzoekers op problemen. “De voortgang in de bouw van de experimentele fusiereactor ITER wordt namelijk serieus bedreigd door grote problemen met de levensduur van haar supergeleiders,” zo vertelt onderzoeker Arend Nijhuis van de Universiteit Twente. “Dat betekent heel concreet dat ITER zoals het er nu naar uitziet de doelstellingen niet gaat halen.” Er staat een aantal experimenten gepland, maar met de huidige ITER-supergeleiders kunnen deze experimenten hoogstwaarschijnlijk niet eens allemaal worden uitgevoerd. In het voorjaar van 2011 werd bekend dat ITER met deze problemen te maken heeft. En niet lang daarna kwam er hulp. En wel van wetenschappers uit de onderzoeksgroep Energy, Materials & Systems van de Universiteit Twente. Zij kwamen met een concrete oplossing gebaseerd op voorspellingen van uitgebreide modellen.

Impressie van de ITER reactor. Afbeelding (via ITER.org).

Nederlandse hulp
ITER heeft de Nederlandse hulp omarmd. Ondanks dat er alleen theoretisch bewijs is dat de Twentse oplossing werkt, gaat ITER het toch uitproberen. De beslissende test (waar ongeveer een half miljoen euro mee gemoeid is) vindt in maart van dit jaar plaats. Het is een ontzettend spannend moment voor ITER, maar ook voor de Nederlandse wetenschappers. “Wanneer de oplossing tijdens de ultieme test in 2012 succesvol is, zal het centrale hart van ITER, de CS-magneten, met de Twentse oplossing in staat zijn om de enorme belastingen succesvol te doorstaan. Daarmee wordt de crisis bezweerd en wordt de weg vrijgemaakt voor een succesvolle toepassing van energieopwekking middels kernfusie.”

De CS-kabel bestaat uit bijna duizend draden. Op de voorgrond is de doorsnede van zo'n draad te zien. De supergeleidende draden hebben een diameter van 0,8 millimeter en bestaan uit dunnen supergeleidende filamenten die gemaakt zijn van niobiumtin. Duizend van deze draden vormen een kabel en daaromheen komt een stalen behuizing. Helaas is niobiumtin heel gevoelig voor vervormingen en ook nog eens zeer bros en kan het snel breken. Foto: P.J. Lee, ASC, Tallahassee, USA.

Probleem
Wat hebben de onderzoekers nu concreet bedacht? Om dat te begrijpen, moeten we eerst weten waarom ITER met de huidige supergeleiders niet goed kan functioneren. “Het grote probleem van de huidige ITER supergeleiders voor de magneten van de Centrale Solenoïde (het hart van de donutvormige reactor, zie hieronder) is dat ze te snel degraderen,” legt Nijhuis uit. “Na de eerste tests in 2010 bleken de CS-geleiders niet bestand tegen de grote elektromagnetische Lorentz-krachten die gepaard gaan met stromen tot 50.000 ampère in een magneetveld tot 13 tesla. De enorme mechanische belasting op de broze geleiders, vergelijkbaar met het gewicht van 60 gestapelde auto’s van duizend kilogram op één meter kabel, moeten 60.000 keer doorstaan worden. Het huidige ITER geleiderontwerp zou echter maar enkele duizenden cycli meegaan. Aangezien het supergeleidende magneetsysteem ongeveer een derde van de totale kosten van ITER bepaalt, is sprake van een serieus probleem. Ernstige vertragingen in de bouw van ITER zullen tot hoge kostenstijgingen leiden.” Sterker nog: het hele idee – bewijzen dat kernfusie zowel technisch als financieel haalbaar is – zou in duigen kunnen vallen. “Het rendement van energieopwekking uit kernfusie zou zonder supergeleiders te laag zijn.”

De CS-kabel bestaat dus uit bijna duizend draden. Op dit plaatje ziet u ook de volledige CS-magneet (rechts). Opvallend is hoe groot deze magneet is (vergelijk de mens die ernaast staat). Afbeeldingen: P.J. Lee, FSU, FL, USA.

Oplossing
“Binnen de groep Energy, Materials and Systems (EMS) aan de Universiteit Twente zijn modellen ontwikkeld die voorspellen dat het op een andere manier in elkaar zetten van de kabels tot de ultieme oplossing zal leiden.” De oplossing houdt deels in dat de draadjes in de kabel (zie foto CS-kabel) voldoende ondersteund zijn tegen de gigantische elektromagnetische dwarskrachten, maar tegelijkertijd ook flexibel genoeg zijn om degradatie door opwarmen en afkoelen van de supergeleidende magneten tegen te gaan. De individuele supergeleidende draden worden dan veel minder belast op mechanische buiging en contactdruk. Een lastige maar uiterst belangrijke vereiste is dat dit gecombineerd moet worden met minimale opwarming ten gevolge van de kringstromen die in de kabel ontstaan door de snel wisselende magneetvelden in de fusiereactor. De oplossing voorspelt dat de mechanische eigenschappen veel beter zullen zijn dan die van de huidige ITER-geleiders terwijl de warmteontwikkeling ten gevolge van variërende magneetvelden zelfs lager uit zal vallen.

Maart
“In juni 2011 is de Twentse oplossing voor het eerst gepresenteerd en een maand later werd de fabricage van de geleider al ter hand genomen. Hoewel het alleen nog maar in computermodellen is getest, is er vanuit ITER veel vertrouwen in de Twentse oplossing. Intussen is er een test sample volgens Twents ontwerp gemaakt en deze zal in maart dit jaar in de Zwitserse testfaciliteit SULTAN uitgebreid worden getest. Gezien de grote internationale belangen en het prestige welke gemoeid zijn met een succesvolle test en oplossing van de huidige problemen van ITER zal de focus van ITER de aankomende maanden gericht zijn op het testen van deze CS-geleider.”

De Twentse oplossing heeft enorme implicaties, zo benadrukt Nijhuis. “Wanneer de CS-Twente succesvol is bij de ultieme test in maart, zal het centrale hart van ITER, de CS magneten, met de Twentse oplossing in staat zijn om de enorme belastingen gedurende 60.000 cycli succesvol te doorstaan en zo energieopwekking met kernfusie een stap dichterbij brengen.”