Hoe zet je kernfusie-energie om in elektriciteit, als het plasma zo heet is dat het elk denkbaar materiaal doet verdampen? ‘In een kernfusiereactor wil je geen chemie, maar er is één cruciale uitzondering.’

Ruim 150.000.000 °C. Zo heet wordt het plasma in een kernfusiereactor. ‘Atomen en moleculen kunnen er niet bestaan, chemie is er uitgeschakeld’, zegt plasma­fysicus Ivo Classen, leider van de onderzoeksgroep plasma edge physics and diagnostics bij DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research). In plaats daarvan bestaat het plasma uit een brei van ionen – deuterium- en tritiumatoomkernen om precies te zijn – en elektronen. Als die deeltjes fuseren ontstaan er heliumatoomkernen (twee neutronen en twee protonen: zogenoemde alfadeeltjes), neutronen en energie.

Schone energiebron

Begin 2020 is in Zuid-Frankrijk gestart met het in elkaar sleutelen van de grootste kernfusiereactor ter wereld, ITER. Het is een internationaal samenwerkingsproject waaraan ook DIFFER bijdraagt. Over een paar jaar moet ITER gaan bewijzen dat kernfusie kan functioneren als efficiënte, schone energiebron. Als je de energie die vrijkomt bij een kernfusiereactie omzet in elektriciteit, komt daarbij namelijk geen CO2 vrij. Bovendien is de hoeveelheid radioactief afval minimaal en het kan niet zo rampzalig fout gaan als in kerncentrales. Over enkele decennia moeten de eerste energiecentrales draaien, maar zover is het nog lang niet: ITER is een experiment, in feite pas een proof of principle.

Kernfusie heeft namelijk een probleem. ‘Het plasma is te heet’, zegt plasmafysicus Thomas Morgan, leider van de onderzoeksgroep plasma material interactions bij DIFFER. ‘Geen enkel materiaal is ertegen bestand, dus je kunt de warmte niet zomaar afvoeren.’ In ITER zweeft het plasma rond in een holle donut met een doorsnede van ruim 12 m, de tokamak. Enorme magneten houden de geladen deeltjes in bedwang. Deeltjes zonder lading vliegen intussen alle kanten op. Aan de rand van het plasma is het al flink afgekoeld, maar alsnog is het er heter dan het oppervlak van de zon (zo’n 10.000 °C). De geladen deeltjes worden via magnetische veldlijnen verzameld in de divertor, de regio onder in de reactor. ‘De hoge deeltjesconcentratie is goed voor het vermogen van de machine’, zegt Morgan. ‘Maar het maakt de energiedichtheid extreem hoog, veel hoger bijvoorbeeld dan een spaceshuttle moet doorstaan als die terugkeert in de ­atmosfeer van de aarde.’

Dubbele oplossing

De onderzoeksgroepen van Classen en Morgan werken aan een oplossing voor het hitteprobleem. ‘Moleculen zijn in een kernfusiereactor als ITER een ongewenste factor’, zegt Classen. ‘Het plasma moet zo zuiver mogelijk blijven, maar in de divertor kunnen we chemie juist heel goed gebruiken.’ Je kunt de materiële uitdaging van twee kanten aanpakken: aan de plasmakant moet je zorgen voor een afzwakking van de energiedump, en aan de kant van de reactor moet je materialen gebruiken die bestand zijn tegen het hittegeweld. ‘We ­experimenteren momenteel met vloeibare metalen als potentiëel component in de ­reactorwand’, vertelt Morgan.

In een volgende reactor gaat dit wellicht een rol spelen, maar in ITER is gekozen voor een divertor van het metaal wolfraam. Als de reactor voor het eerst aangaat, als het meezit in 2025, blijkt of dat een goede keuze was. Morgan: ‘Wolfraam heeft een hoog smeltpunt en goede warmtegeleiding. Daarnaast is het een zwaar element, waardoor het niet snel erodeert. Als een plasmadeeltje een pingpongbal is, kun je een wolfraamatoom als bowlingbal zien. De kans dat een pingpongbal die van zijn plek duwt is klein.’ Wolfraam heeft ook een nadeel. Morgan: ‘In een worstcasescenario smelt je de wand. Dan moet je naar binnen om de boel te repareren en dat is duur en tijdrovend. Een goede controle over de hittelading is daarom cruciaal. Het moet in een keer goed gaan.’

De plasmavlam in bedwang houden, is de focus van Classens onderzoeksgroep. ‘Deuterium- en tritiumionen ontsnappen continu uit het plasma, waarna ze tegen de wand van de reactor botsen’, vertelt hij. ‘Daar neutraliseren ze tot atoom of molecuul en komen weer los van de wand. Terug in het plasma reageren die neutrale deeltjes met de plasmadeeltjes, waarbij zij energie en momentum uitwisselen. Naast ionisatie omvat die interactie allerlei processen: elektromagnetische straling, elastische botsingen, elektronen in aangeslagen toestand en meer. ‘Met die conditie, detachment, verlaag je de hittelading’, legt Classen uit. ‘Doordat de magneten de straling en de neutrale deeltjes niet vasthouden, verdeel je de hitte over een veel groter wandoppervlak en haal je wat druk van de ketel.’

‘Maar dat is niet genoeg’, vervolgt de onderzoeker. ‘We moeten detachment een boost geven en dat kan door onzuiverheden toe te voegen. Bij DIFFER onderzoeken we welke stoffen hiervoor geschikt zijn. Stikstof is een goede kandidaat, want het geeft vergelijkbare moleculaire effecten als de zojuist genoemde interactie tussen ionen en de reactorwand.’ Een nadeel is dat stikstof heel graag reageert met waterstof tot ammoniakmoleculen. Gebeurt dat in een kernfusiereactor, dan krijg je geen NH3, maar bijvoorbeeld NDT2, een variant met een deuteriumisotoop en twee tritiumisotopen in plaats van gewoon waterstof. ‘En dat wil je niet, want tritium is radioactief en als je dat kwijtraakt, waar dan ook in het systeem, heb je een probleem’, zegt Classen.

Neon is een andere, niet-corrosieve optie. Maar omdat dit een edelgas is, zijn de moleculaire processen die stikstof heeft op neon niet van toepassing. De hitteafvoer is daardoor gering. Classen: ‘Misschien is een combinatie van stoffen ideaal. Dat is wat we op dit moment onderzoeken bij DIFFER, en straks in ITER.’

Metalen deken

Dankzij detachment heb de ingenieurs 20 % van de energie uit de kernfusiereacties onder controle. De rest van de energie zit in de neutronen en die vliegen dwars door de reactorwand. ‘Om de wand ligt daarom een dikke deken die de deeltjes wél tegenhoudt’, vertelt Morgan. In ITER is gekozen voor beryllium met daaromheen een laag van een koperlegering en roestvaststaal. De deken wordt actief gekoeld met water. ‘Zo zetten we de kinetische energie van de neutronen om in warmte, waar we in een volgende reactor elektriciteit van maken.’

Maar de neutronen hebben nog een belangrijke functie. Morgan: ‘We hebben ze nodig om tritium mee te maken. Dit element komt niet in de natuur voor en voor ITER is zo’n beetje de gehele wereldvoorraad nodig. Elke keer als je de reactor start, heb je een beetje tritium nodig om de boel op gang te brengen. De neutronen combineer je vervolgens met lithium om tritium-atoomkernen en helium te maken. In ITER gaan we dit concept op termijn testen.’

De onderzoekers verwachten dat het met de hittelading in ITER wel goedkomt. ‘Toen ITER vijftien jaar geleden werd ontworpen, was dit het hoogst haalbare, maar we zijn inmiddels veel experimenten en innovaties verder’, zegt Classen. Die gaan de onderzoekers gebruiken – samen met de resultaten die ITER levert als de reactor aangaat – om DEMO te ontwerpen, de opvolger van ITER. Classen: ‘Die reactor wordt nog veel groter en moet wél elektriciteit gaan maken. Het is bovendien uiteindelijk de bedoeling dat energiecentrales 24 uur per dag draaien. Veel langer dus dan de paar minuten die ITER een paar keer per dag aan zal staan. Dit geeft een onvoorstelbaar hoge hittedump en hoeveelheid neutronen. We moeten de limieten steeds verder verleggen.’