Wordt de Wendelstein 7-X de oneindige energiebron?
•Joris Kooiman
zaterdag 6 februari 2016, 6:00
Fysici dromen al decennia van kernfusie als schone en onbeperkte energiebron. De stellarator in Greifswald produceerde in december heliumplasma: het is een begin.
De controlekamer van het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in het Noord-Duitse Greifswald lijkt op de dealing room van een zakenbank. Computerschermen met grafieken domineren de open vloer, waar bureaus in cirkels bijeen staan. Rumoer vult de ruimte.
Maar de vloer wordt niet bevolkt door geldbeluste mannen in maatpak. De winst is hier een wetenschappelijke doorbraak. Althans: een glimp van de heilige graal: kernfusie. Versmelting van atoomkernen als schone en onuitputtelijke bron die de wereld tot in lengte van dagen van energie kan voorzien.
Vandaag verlopen de experimenten wat stroef, al raakt niemand in paniek. ‘Zo gaat dat altijd in deze fase van het onderzoek’, zegt Robert Wolf, professor experimentele plasmafysica en een van de wetenschappelijk directeuren van het IPP. ‘Er doen zich honderden kleine problemen voor. Uiteindelijk kunnen we ze allemaal wel de baas.’
Je zou even denken dat het project in Greifswald net is gestart, maar wetenschappers zijn hier al twintig jaar bezig met het ontwerp van de modelreactor Wendelstein-7X. Op 10 december 2015, toen wereldleiders in Parijs hun handtekening zetten onder het klimaatakkoord, werd de eerste doorbraak bereikt: gedurende 0,1 seconde produceerde de reactor heliumplasma bij een temperatuur van ongeveer 1 miljoen graden.
Het is een begin. Kernfusie — als het al mogelijk is — kost veel geld en veel tijd. De bouw van de reactor in Greifswald duurde tien jaar. Kosten: €?1 mrd. Maar de pot goud die gloort aan het einde van de regenboog is zo groot dat fysici er al decennialang naar zoeken.
Sinds de jaren vijftig geldt gecontroleerde versmelting van atoomkernen om energie op te wekken, de tegenhanger van kernsplijting dat nu in kerncentrales plaatsvindt, als de droom van de fysica: een droom die zich lastig laat realiseren.
Het idee lag voor de hand. Kernfusie, zo stelden natuurkundigen na 1945, is de motor van ons zonnestelsel. In het binnenste van de zon en de sterren vindt een continue versmelting plaats van waterstofatoomkernen tot, iets grotere, heliumkernen. Daarbij wordt massa omgezet in zeer veel energie.
De brandstof voor kernfusie zijn de stoffen deuterium en lithium — die om worden gezet in tritium — eenvoudig te winnen uit water en vrijwel onbeperkt voorradig op aarde. Eén gram versmeltingbrandstof bevat net zo veel energie als 11 ton kolen. Anders gezegd: er is genoeg basismateriaal voor kernfusie om de mensheid honderdduizenden jaren van energie te voorzien, zonder uitstoot van co2 of andere gassen. Bovendien levert dit proces veel minder radioactief afval op dan de huidige kerncentrales. Zou kernfusie de wereld van energie voorzien, dan wordt er net zoveel nucleair afval geproduceerd als nu in Borssele.
En de risico’s? ‘Al in de jaren ‘50 was duidelijk dat kernfusie een veel aantrekkelijker energiebron is dan splijting’, zegt Wolf. ‘Anders dan bij versmelting is splijting van kernen een kettingreactie, vergelijkbaar met een lawine, die een explosie geeft als die niet wordt gecontroleerd. Fusie heeft dat probleem niet.’
De uitdaging is dus: bouw de motor van de zon na. Dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan. Atoomkernen zijn positief geladen deeltjes en stoten elkaar af. Die weerstand wordt alleen gebroken bij ruim 100 miljoen graden Celsius.
Probleem is: hoe houd je brandstof bij die enorme hitte bijeen? In sterren gebeurt dat door zwaartekracht, maar die is niet te kopiëren. Daarom experimenteren wetenschappers al jaren met magnetische velden. Die moeten voorkomen dat deeltjes de fusiereactor uitvliegen.
In de praktijk blijkt dit echter zeer lastig: experimenten in Engeland, Japan, de VS, Rusland en Frankrijk hebben nog geen succes gehad. Bij al deze pogingen is de zogenoemde Tokamak gebruikt, een donutvormig reactortype, dat onder meer in Zuid-Frankrijk wordt doorontwikkeld. Maar de Tokamak moet ieder half uur worden stilgelegd: verre van ideaal als je continu stroom wil opwekken.
Koude kernfusie
Naar de graal die koude kernfusie heet, wordt al jaren gezocht.
Volgens de meeste natuurkundigen is het theoretisch onmogelijk, maar de believers blijven er naar zoeken: koude kernfusie. Eind jaren tachtig zorgden de elektrochemici Stanley Pons en Martin Fleischman voor een sensatie met het bericht dat zij bij normale temperaturen kernfusie hadden bereikt, terwijl de fysica leert dat dit alleen bij extreme hitte kan. Het zou gaan om een experiment met elektrolyse en zwaar water waarbij zo ongewoon veel warmte vrijkwam dat er wel een kernreactie moest hebben plaatsgevonden. Ook zouden ze bijproducten van een fusieproces hebben gemeten. Maar de resultaten werden niet bevestigd en de proef ontkracht. Sindsdien duiken vaker studies op die claimen koude kernfusie te hebben bereikt. Maar geen van die onderzoeken heeft overtuigend bewijs of een theoretisch model opgeleverd. Het wantrouwen onder fysici blijft dus groot.
Daarom grepen Duitse wetenschappers dertig jaar geleden terug op een oud reactormodel dat ooit in de mottenballen was gelegd omdat het technisch en theoretisch te ingewikkeld bleek: de stellarator. Deze reactor heeft de vorm van een asymmetrische wokkel waar magnetische spoelen omheen lopen. En hoeft in theorie niet te worden stilgelegd.
‘In de jaren tachtig konden we de natuurkundige probleemstelling al formuleren die ten grondslag ligt aan het ideale sterallatorontwerp’, zegt Wolf. ‘Maar de rekenkracht ontbrak om de som op te lossen. Tot de komst van de supercomputer. Wolf: ‘Die heeft de Wendelstein uiteindelijk mogelijk gemaakt.’
Het resultaat is een stalen apparaat van 6 bij 15 meter dat op de millimeter nauwkeurig in elkaar is gezet. Anders dan bij de Tokamak zijn in Greifswald geen concessies gedaan aan het ideaal.
‘Zij hebben de technische consequenties van de theorie geaccepteerd’, zegt Niek Lopes Cardozo, hoogleraar science and technology of nuclear fusion aan de TU Eindhoven. Lopes Cardozo is geen lid van het researchteam maar kent zowel de Duitse Stellarator als de Tokamak goed. ‘Het is als een Apple Mac vergelijken met een Windows pc: de eerste is moeilijker te ontwerpen en te maken, maar als het lukt, werkt hij superieur.
Wordt de Wendelstein 7-X dan de eerste elektriciteitscentrale gebouwd die werkt op kernfusie? Zover is het nog lang niet. Het zal nog enige jaren duren voor het apparaat in staat is om een half uur lang heliumplasma te produceren en op zijn plaats te houden. En de ingebruikname van een stellarator als kernfusiecentrale kan nog tientallen jaren duren.
Toch is het eerste succes van de Wendelstein wel degelijk baanbrekend, vindt Lopes Cardozo. ‘Natuurlijk gaat het stapje voor stapje. Maar de eerste plasmaproductie betekent dat deze beloftevolle reactor, die zo ingewikkeld is, technisch helemaal werkt. Nu kan het onderzoek naar de performance beginnen.’