Uit het magazine

Al meer dan drie decennia werken 35 landen samen aan het bouwen van de experimentele fusiereactor ITER. Maar nu de problemen zich opstapelen, rijst de vraag of alle inspanningen ooit nog wat gaan opleveren.

 

Tekst: Roel van der Heijden en Marlies ter Voorde

 

Op de time-lapse video op de website van ITER lijkt het vooral op het assembleren van een reuzen cakevorm voor een kransvormige tulband van 11,4 meter hoog en 19,4 meter in diameter. Het eerste van de negen segmenten hangt aan de hijskraan in de assembly hall, twee digitale meters geven beide zo’n 350 ton aan. Op de grond krioelen tientallen gehelmde werknemers in felle hesjes.

Deze ingenieurs in het Zuid-Franse Cadarache bouwen aan de grootste experimentele kernfusiereactor ter wereld. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) moet aantonen of kernfusie – het natuurkundige proces waaraan onze zon haar energie ontleent - ook als directe energiebron kan dienen voor de mens op aarde.

Na jaren van praten en plannen (de eerste gesprekken tussen de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie waren al in 1985) wordt er sinds 2010 gebouwd op het gigantische terrein in de beboste heuvels. Het project groeide uit tot een wereldwijd initiatief waaraan vijfendertig landen meedoen. De huidige kosteninschatting is zo’n twintig miljard euro. Op de website van ITER prijkt op het moment van schrijven het getal 77,1 dat in procenten aangeeft hoe ver het project is gevorderd tot de eerste experimenten.

Dat klinkt alsof ITER bíjna van start kan. Nog even wat onderdelen bij elkaar zetten, de schroeven aandraaien en gaan!

 

Dit is niet het volledige artikel. Het hele verhaal staat in De Ingenieur van oktober 2022. Interessant? Neem eens een proefabonnement van drie nummers voor 25 euro

 

Maar schijn bedriegt. Het prestigieuze project wordt geplaagd door uitstel en kostenoverschrijdingen. ‘Klokkenluider’ en voormalig woordvoerder van ITER Michel Claessens deed in februari bij het Europese Parlement een boekje open over vermeend mismanagement en een angstcultuur in delen van de organisatie. En tot overmaat van ramp viel er op 25 januari van dit jaar een brief op de mat van de Autorité de Sûreté Nucleaire (ASN), waarin deze Franse atoomwaakhond schrijft dat het voorlopig geen toestemming geeft voor de volgende bouwfase van het project. Eerst moet ITER de veiligheid van onomkeerbare stappen zoals het aan elkaar lassen van het vacuümvat voldoende onderbouwen en zorgen wegnemen over de bescherming tegen straling uit de reactor en de fundering van ITER.

En nu? Kan ITER volstaan met ‘betere informatie’ of moeten het ontwerp en de werkwijze anders, met vertraging en extra kosten tot gevolg? Of is er zelfs te hoog ingezet en blijkt kernfusie op deze schaal voorlopig onhaalbaar? De Ingenieur dook in de documenten, ging langs bij de experts, en ontwaarde zeven belangrijke uitdagingen.

 

Uitdaging 1: Bescherming tegen straling

Risico of taalprobleem?

 

Hoewel kernfusie geen langdurig radioactief afval produceert, wordt de binnenkant van de reactor (de tokamak) wel geleidelijk radioactief door de sterke neutronenstroom die in de reactor ontstaat. Een goede bescherming tegen radioactiviteit is dan ook een belangrijke eis waaraan ITER moet voldoen.

Tot de reactor in werking is, moeten rekenmodellen uitwijzen of deze bescherming voldoende is gewaarborgd. De ASN is daar momenteel niet van overtuigd, blijkt uit de brief van deze atoomwaakhond.

Laban Coblentz, woordvoerder van ITER, denkt dat de oplossing hiervoor vooral een kwestie is van beter rapporteren. Het probleem zit in de berekeningen die voorspellen hoe sterk de straling zich op welke plek gaat voordoen, legt hij uit. De meeste nucleaire faciliteiten gebruiken voor die berekeningen tweedimensionale modellen, maar ITER is overgestapt op een geavanceerder driedimensionaal model.

In Frankrijk is de controleketen helemaal toegespitst op kernsplijting, verduidelijkt Jaap van der Laan, die bij ITER aan de bekleding van de reactorwand werkt. ‘En vergeleken met een fusiereactor is een splijtingsreactor nogal simpel: alle uranium zit bij wijze van spreken in één grote box.’ ITER is extreem groot en het gebouw heeft openingen, doorvoeren en gangen, vertelt van der Laan. ‘Daarom heb je echt een 3D-model nodig om de stralingsniveaus binnen en buiten het gebouw te berekenen.’ Iedereen die met fusie werkt kent deze 3D-modellen, maar het is voor het eerst dat ze worden gebruikt voor een vergunning voor een Franse nucleaire installatie. Van der Laan: ‘Logisch dus, dat deze vergunningverlener zeker wil weten dat het hout snijdt.’

 

Vergelijken

De discussie gaat er nu vooral over hoe de verschillende modeluitkomsten zinvol met elkaar zijn te vergelijken. Coblentz: ‘We moeten onze berekeningen op één lijn zien te krijgen met die van de ASN. Ik denk dat dan blijkt dat een extra stralingsschild niet nodig is, dus dat het echt een rekenkundig probleem betreft.’

‘Bedenk ook dat de reactor niet vanaf dag één op honderd procent gaat draaien’, zegt Van der Laan. ‘Dat wordt stap voor stap opgevoerd, en intussen meten we wat de straling precies doet en of dat overeenkomt met de voorspellingen. De ASN kan ook daarin nog beslismomenten inbouwen voor de voortgang van de experimenten.’

Als er toch een extra stralingsschild moet komen, komt daarmee wel meteen een extra probleem om de hoek kijken, schrijft de ASN. Zo’n schild is doorgaans van lood of beton, en levert dus extra gewicht op. Daar is de ondersteuningsconstructie van de tokamak niet op ontworpen (zie Uitdaging 2). Maar er zijn meer knoppen waaraan je kunt draaien, zegt Van der Laan. ‘Naarmate de wand langer met neutronen wordt gebombardeerd, bouwt de straling zich op. Als de effectieve stralingsafscherming tegenvalt, zou je ook nog kunnen besluiten het tempo van de stralingsbelasting naar beneden bij te stellen.’

 

ITER problemen

‘Sector 8’ is net uit Korea aangekomen in Cadarache

 

Uitdaging 2: Gewicht

Een steeds zwaardere machine

 

ITER is zo zwaar dat het gewicht in Eiffeltorens is uit te drukken. Het metalen reactorvat weegt zo’n achtduizend ton, dat is ruwweg één Eiffeltoren (enkel het staal). Tel je daarbij de magneet- en koelsystemen op, dan zit je al op drie stuks, het hele gebouwencomplex weegt zeker 55 Eiffeltorens. Deze massa rust op 493 betonnen palen die dienen als schokdempers voor de machine.

In 2014 waren die palen bij Cadarache voor het laatst te zien. Sindsdien liggen ze onder een 1,5 meter dikke betonnen plaat: de vloer van het reactorgebouw, voor ingewijden de B2 slab. Die vloer is inmiddels een discussiepunt. Door het gewicht van de incomplete reactor zou de betonnen plaat nu al doorzakken. Toezichthouder ASN rept in de brief van januari over het ‘losraken’ van de vloer van sommige van de bovengenoemde palen, en schrijft dat recente veranderingen in het reactorontwerp niet goed zijn verwerkt in de massaberekeningen.

De vloer is ontworpen op basis van een schatting van het gewicht van de reactor uit 2013. ‘Inmiddels denk ik dat de machine enkele procenten zwaarder wordt’, zegt Henk Gaxiola, ‘magneetingenieur’ voor ITER die zorgt dat de opbouw van de machine goed gaat, specifiek in de tokamak. Oorzaak van die gewichtstoename is het feit dat het ontwerp lange tijd niet vastlag en er in de loop der tijd extra materiaal is toegevoegd.

Gaxiola: ’Stel, je wilt in bepaalde sectoren de straling naar beneden brengen. Dan stop je er meer beton of lood in.’ Omdat de limieten voor gewicht bovendien vaag waren en er niet op massabeperking is gestuurd, is ITER onnodig zwaar geworden. Gaxiola noemt het ‘absurd’ dat er over het ontwerp zo lang onduidelijkheid bestond en het nu zover komt dat de toezichthouder aan de handrem trekt.

 

Vliegtuig

Misschien had ITER iets meer als een vliegtuig moeten worden ontworpen, oppert Gaxiola. In de luchtvaart denken ontwerpers wel twee keer na voordat ze onderdelen toevoegen, alles moet immers zo licht mogelijk zijn. Natuurlijk is het ‘massabeheer’ van een machine met zoveel onderdelen waarvan het ontwerp nog niet vaststaat uitdagend, maar er had in ieder geval meer controle moeten zijn op het gewicht, vindt hij.

‘Een helikopterperspectief van het hele proces en een continue kritische blik op materialen was er niet’, zegt Gaxiola. Volgens hem is het overgewicht technisch oplosbaar door het geplande materiaalgebruik te heroverwegen. ‘Misschien kunnen we op sommige plekken lichtere materialen zoals koolstofvezels gebruiken, al is er kans dat de kosten dan oplopen.’

ITER-woordvoerder Coblentz bevestigt dat er wat ‘fysieke disconnectiviteit’ is tussen de vloer en de palen waarop deze rust. ‘Om aan te tonen dat de vloer nog sterk genoeg is zijn er technische berekeningen nodig’, zegt hij. ‘Zelf denken we dat de vloer voldoet en dit anders met geringe aanpassingen oplosbaar is. Dat is momenteel onderwerp van discussie tussen ITER en ASN.’ 

Als er ook extra bescherming tegen straling moet komen (zie Uitdaging 1) wordt het geheel nog zwaarder. ‘Dan moeten we andermaal naar die vloer kijken’, zegt Coblentz. Gaxiola: ‘Je kunt niet zomaar meer lood of beton in het apparaat stoppen, dan moet je het elders lichter maken. We zitten al aan het maximum, en aan de fundering kun je nu niet zoveel meer verbeteren. We kunnen het alleen nog slimmer aanpakken.’

Beeldmateriaal: ITER

 

Dit is niet het volledige artikel. Het hele verhaal staat in De Ingenieur van oktober 2022. Interessant? Neem eens een proefabonnement van drie nummers voor 25 euro

 

VERDER LEZEN OVER DE UITDAGINGEN VAN ITER?

Lees verder in het oktobernummer van De Ingenieur. Koop de digitale versie voor € 7,50, of neem - met een flinke korting van 25 % - een digitaal jaarabonnement van twaalf nummers voor € 69,-.

 

Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.