Kernfusie Het hart is gereed van ITER, de gigantische kernfusiereactor-in-aanbouw in Zuid-Frankrijk. Maar de eerste echte proeven laten nog jaren op zich wachten.
De assemblagehal van ITER met op de voorgrond de 30 meter diepe put waarin ooit het plasma in bedwang wordt gehouden.
Eindelijk kwam er weer eens goed nieuws van de kernfusie-organisatie ITER: het laatste onderdeel van de ‘centrale solenoïde’, een 13 meter hoge, 1.000 ton zware monstermagneet is op 19 september afgeleverd bij de ITER-complex bij Saint-Paul-lez-Durance in Zuid-Frankrijk.
„De magneet is sterk genoeg om een vliegdekschip op te tillen”, ronkt een ITER-persbericht. Niet dat hij daarvoor bedoeld is. De magnetische superkracht dient om een plasma bijeen te houden van 150 miljoen graden, heter dan het middelpunt van de zon.
Onder die extreme omstandigheden worden atoomkernen van waterstof zo hard op elkaar gedrukt dat ze samensmelten, ofwel: fuseren. Dat kernfusieproces, ook de motor van de zon, levert energie op in de vorm van warmte. De belofte van kernfusie is een CO2-vrije energiebron, zonder de problemen van langdurig radioactief kernafval die komen kijken bij de meer traditionele kernsplijting.
„Het is fantastisch”, zegt Marco de Baar over de solenoïde. Hij is directeur van het energie-onderzoeksinstituut Differ in Eindhoven. „Het zijn mission critical componenten. Het is echt heel indrukwekkend, als je je de schaal van dit ding kan voorstellen.”
‘Het ding’ is de ITER-reactor, een donut-vormig vacuümvat van 12 meter hoog waarin plasma wordt verhit tot temperaturen waarbij alle bekende materialen smelten. Het hete plasma, in totaal maar ongeveer een halve gram, wordt in bedwang gehouden door extreem krachtige magneetvelden, opgewekt door een stelsel van zware supergeleidende spoelen (waaronder dus de centrale solenoïde). Daarnaast zijn er microgolfbronnen en een deeltjesversneller om het plasma te verhitten, een cryostaat om de supergeleidende spoelen te koelen tot -269°C, en volop meetapparatuur om alle processen in de gaten te houden. ITER bevat ongeveer een miljoen onderdelen, gepropt in een cilindervormige behuizing van 24 meter hoog en 30 meter breed. Alles samen weegt het 23.000 ton.
In 2006 begon een internationale wetenschappelijke samenwerking van de VS, de EU, China, Rusland, Zuid-Korea, Japan en India met ITER (Latijn voor ‘de weg’). Het doel was om de mogelijkheid van industriële productie van kernfusie-energie aan te tonen. In 2016 zou de installatie in bedrijf komen, waarna de technologie in de jaren dertig van deze eeuw ver genoeg ontwikkeld zou zijn om de eerste kernfusie-elektriciteitscentrales te bouwen.
Het liep anders. „Alle roadmaps liggen overhoop”, zegt De Baar. „Alles moet opnieuw bedacht worden.” De deadline was al eens uitgesteld naar 2020 en toen 2025, maar in 2024 kondigde ITER-directeur Pietro Barabaschi aan dat het first plasma met maar liefst negen jaar uitgesteld zou worden, tot 2034. De kosten, ooit geraamd op 5 miljard euro, vervijfvoudigen tot 25 miljard.
Differ, het onderzoeksinstituut dat De Baar leidt, is geen onderdeel van ITER, maar neemt wel deel aan Eurofusion, de samenwerkende wetenschappelijke instituten die essentiële kennis leveren voor ITER. Daarmee is De Baar in een positie om de voortgang van ITER kritisch te becommentariëren.
Oorzaak van het uitstel is een opeenstapeling van technische en organisatorische problemen, nog eens verergerd door de covid-pandemie. In 2021 werd duidelijk dat segmenten van het reactorvat, gemaakt in Italië en Zuid-Korea, niet goed op elkaar aansloten. De Baar: „De Europese segmenten zijn onderhevig geweest aan een extreem zware kwaliteitscontrole.” Dat was ook wel nodig: het zijn enorme stukken staal die enorme krachten moeten weerstaan. Ze worden aan elkaar gelast, waardoor er spanning in het materiaal ontstaat. Dat geeft vervormingen.
De Baar: „Na jaren proberen is het de Italiaanse partners gelukt om dat te beheersen. Maar in Zuid-Korea hebben ze het blijkbaar anders gedaan: ze hebben hard gewerkt om de segmenten af te leveren, ze zijn op de boot gezet, en toen ze op de ITER-site aankwamen, paste het niet: er waren kieren waar bij wijze van spreken een varken doorheen kon lopen.”
Aanvankelijk leek het nog dat de gaten tussen de segmenten van de reactorwand ter plekke gedicht konden worden, maar de ASN, de Franse nucleaire autoriteit, keurde dat plan af, dus moesten de segmenten eerst passend worden gemaakt.
Een tweede probleem had te maken met een thermische beschermingslaag voor de magneetspoelen. De elektrische stroom daarvoor loopt door honderdduizend kilometer aan supergeleidende niobium-tin-legering, die gekoeld moet worden met vloeibaar helium van -269°C. De Baar: „De thermische bescherming is een laag van zilver, die wordt aangebracht met een chemisch proces waarbij chloor vrijkomt. Daardoor zijn scheuren ontstaan die ook gerepareerd moesten worden.”
De technische problemen werden nog eens verergerd door een klimaat van angst, en het gedwongen stilhouden van problemen onder de vorige directeur, de Fransman Bernard Bigot. „Bigot voerde een hard beleid en snoerde werknemers de mond die open en eerlijk spraken over problemen met de reactor, of ontsloeg ze”, zegt Michael Claessens, die van 2011 tot 2015 hoofd communicatie was bij ITER. Bigot stuurde hem kort na zijn aantreden de laan uit. Na zijn ontslag bracht Claessens, beschermd door een klokkenluidersregeling, rapport uit aan de Europese Commissie en het Europees Parlement.
Bigot overleed in 2022 in het harnas en werd opgevolgd door de Italiaan Pietro Barabaschi, die juist meteen openheid predikte. „We moeten ophouden met het verbergen van problemen”, zei hij in een van de eerste interviews. Bij grote projecten die nooit eerder gedaan zijn als ITER, zijn problemen en fouten nu eenmaal te verwachten.
De Baar: „Barabaschi heeft een heel vergaande beslissing durven nemen. Niet alleen heeft hij gezegd dat die vacuümsegmenten en de thermische schilden gerepareerd moesten worden, maar hij zei ook: dan moeten we eigenlijk ook een volgende stap durven nemen.”
In het oorspronkelijke ITER-ontwerp was de binnenwand van het reactorvat, die direct blootstaat aan het plasma, beschermd door 12 ton van het element beryllium. Dat verstoort het kwetsbare plasma niet, maar beryllium is heel giftig, en mogelijk schadelijk voor ITER-medewerkers. Daarnaast kan de berylliumlaag op den duur tritium invangen, waarmee je brandstof kwijtraakt.
Dat behoeft enige uitleg: anders dan de zon verbrandt ITER een mix van deuterium en tritium. Dat zijn zwaardere vormen van waterstof, met naast één proton respectievelijk één en twee neutronen in de kern. De drempel om kernfusie op te wekken is bij tritium-deuterium lager dan voor puur waterstof. Deuterium komt in de natuur voor, maar tritium is onstabiel en moet speciaal voor ITER gemaakt worden. Dan is het niet handig als een deel van de brandstof in de reactorwand geabsorbeerd wordt.
Wolfraam heeft dat probleem niet. Het heeft bovendien een hoog smeltpunt, maar kan in theorie wel de kernfusiereactie afremmen, aanvankelijk reden om het materiaal links te laten liggen. Maar uit tests met de experimentele fusiereactor JET in het Verenigd Koninkrijk, lijkt dat risico beheersbaar.
„Barabaschi heeft de knoop doorgehakt”, zegt De Baar, „Kudos dat hij het durft. Persoonlijk had ik daarvoor de ballen niet gehad.” De consequentie is wel dat de deadlines flink schuiven. Intussen is ITER niet meer het enige paard in de race.
Technici op de bodem van de dertig meter diepe put.
In het Duitse Greifswald gloeien de eerste plasma’s in de stellarator Wendelstein 7-X van het Max Planck Instituut voor Plasmafysica, een experimentele reactor die eruitziet als een vlechtwerk van kunstig verwrongen buizen. Ook zijn tientallen private bedrijven bezig met het ontwikkelen van reactoren, van de relatief conventionele tokamak van het Commonwealth Fusion Systems in de VS, die in 2026 al zou moeten draaien, tot experimentele installaties waarin heet plasma wordt gevangen in een soort rookkringels of mechanisch wordt samengeperst. De Fusion Industry Association telt op dit moment 53 bedrijven, die samen 9,7 miljard dollar aan investeringen hebben opgehaald. De meest optimistische beloven al in de jaren dertig van deze eeuw stroom aan het net te leveren.
„Heel veel daarvan is gelul”, zegt De Baar, „ze nemen één idee, en doen alsof dat de magic bullet is, terwijl het extreem gecompliceerd is.” Maar toch zijn er ook een flink aantal van de nieuwkomers wel degelijk serieus te nemen, met genoeg kennis, kunde en financiering om een slagingskans te hebben.
Hoe dan ook zijn er voor alle kandidaten nog stevige technische uitdagingen om te overwinnen, zoals de vraag hoe je reparaties en onderhoud uitvoert. Aangezien een toekomstige reactor tritium zal verstoken, dat tientallen jaren radio-actief blijft, zullen robots het onderhoud moeten doen in plaats van mensen. De Baar: „Daarvoor moet je haptic operation gebruiken: een operator die op afstand robots in de reactor aanstuurt en daarbij voelt wat hij doet. Die technologie moet nog veel verder worden ontwikkeld.”
Nog een vraagstuk is de blanket, het systeem van extreem hittebestendige tegels aan de binnenkant van de reactor. Niet alleen moeten die een intense straling van het plasma overleven en de opgewekte warmte wegvoeren, maar ook krijgen ze een intense stroom neutronen te verstouwen. Die beschadigen op den duur ieder vast materiaal, maar tegelijkertijd moeten ze gebruikt worden om vers tritium te kweken, dat nodig is als brandstof. Het idee is dat het element lithium in kanalen door de blanket gevoerd wordt. Door het invangen van een neutron kan een lithium-atoom uiteenvallen in een heliumatoom en een atoom van het felbegeerde tritium.
„De blanket-technologie bestaat nog helemaal niet”, zegt De Baar. „We hebben wel wat testopstellingen, maar om zoiets in de praktijk te testen, met de juiste magneetvelden, hitte en neutronenflux… zover zijn we gewoon nog niet. Ook de commerciële partijen onderschatten dit.”
De Baar ziet de alternatieven dan ook zeker niet als concurrentie voor ITER, waarop achteraf gezien ook wel heel veel verantwoordelijkheid rustte. „Ik heb ik wel eens de indruk dat we met ITER alles hebben willen doen, en dat we daardoor een complexiteit over ons hebben afgeroepen die heel lastig te managen is. Het kán wel, maar dan moet je het centraal doen, met één partij die de system engineering op orde heeft. Dat is nu niet zo, ieder land heeft zijn eigen systemen, dat geeft veel frictie.”
En ja, met het laatste uitstel zijn de eerste echte kernfusie-proefnemingen niet eerder dan de jaren veertig van deze eeuw te verwachten, en drijft de komst van bruikbare, laat staan betaalbare fusie-energie nog verder uit zicht.
Voor de energietransitie van fossiel naar duurzaam was kernfusie altijd al te laat. Maar toch heeft het zin om door te gaan, zegt De Baar, al was het maar omdat de energievraag ook na die transitie blijft stijgen, als 10 miljard aardbewoners westerse energieconsumptieniveaus bereiken.
De Baar: „De nieuwe machines kunnen ook falen, en dat zal zeker gebeuren. Ik zie het als risicospreiding, niet als concurrentie met ITER. Gezamenlijk gaat het risico van het totale pakket omlaag, omdat je op meer paarden wedt. ”
NIEUW: Geef dit artikel cadeauAls NRC-abonnee kun je elke maand 10 artikelen cadeau geven aan iemand zonder NRC-abonnement. De ontvanger kan het artikel direct lezen, zonder betaalmuur.
Economieredacteuren nemen je mee in de discussies die zij op de redactie voeren over actuele ontwikkelingen
Source: NRC