In 2010 bleek dat cruciale supergeleidende stroomkabels uit het hart van de in aanbouw zijnde kernfusiereactor ITER veel te snel degradeerden. Nu ligt er een verbeterd kabelontwerp dat in proeven geen degradatie vertoont. Maar het ontwerp leidt tot een grotere opwarming van de kabel en dat is nog te weinig getest, zo waarschuwt een Nederlandse expert.

In de Zuid-Franse Provence wordt met man en macht gebouwd de eerste kernfusiereactor ITER, die moet bewijzen dat het laten samensmelten van atoomkernen netto energie oplevert. Fysici hebben er het volste vertrouwen in dat dit gaat lukken, maar de weg naar een succesvol draaiende fusiereactor, gepland voor 2020, is geplaveid met technische vraagstukken.

Kabels degraderen te snel

Een van die problemen kwam eind 2010 aan het licht. De supergeleidende kabels van de centrale solenoïde (een grote elektromagneet) in het hart van de reactor bleken in tests veel te snel te degraderen. Straks moeten die kabels jaren meegaan, minstens dertigduizend cycli van de reactor. Bij elke cyclus jagen de operators van ITER er 40 000 A doorheen om een gigantisch sterk magneetveld van 13 T op te wekken. Dit veld zorgt ervoor dat er binnen de geladen deeltjes van het plasma (een gas waarbij de elektronen zijn losgeraakt van de positief geladen kernen) een stroom wordt opgewekt van 15 miljoen A. ITER werkt dus eigenlijk als een grote transformator, waarbij de centrale solenoïde de primaire winding is en het plasma de secundaire.

Enorme en wisselende krachten

Maar een stroomdraad in een magneetveld ondervindt een lorentzkracht (de kracht van een magnetisch veld op een bewegende lading). Doordat het hier gaat om zowel een zeer grote stroom als een sterk magneetveld, krijgen de kabels enorme wisselende krachten te verduren. Dit zou voor een snelle slijtage zorgen, ware het niet dat deze kabels zeer vernuftig in elkaar zitten.

De buitenzijde van zo’n kabel bestaat uit een vierkante roestvrij stalen pijp, met een ronde binnenkant. Daarin bevinden zich meerdere bundels op complexe wijze in elkaar gevlochten metaaldraden. Het hoofdmateriaal dat hiervoor is gebruikt, is een verbinding van niobium en tin, die supergeleidend wordt doordat vloeibaar helium door de hoofdkabel stroomt. Filamenten van dit bijzondere metaal zijn ingebed in koper. Mocht de supergeleiding plots wegvallen, dan neemt dat koper een fors deel van de elektrische stroom voor zijn rekening.

Nervositeit

Eind 2010 bleek uit proeven dat deze hightech kabels al na zesduizend cycli onbruikbaar werden. Dit leidde tot nervositeit, aangezien een cruciaal onderdeel in het hart van de reactor op losse schroeven stond. De ITER-organisatie stelde dan ook 1,1 miljoen euro beschikbaar voor een speciaal R&D-programma om te zoeken naar een alternatieve samenstelling en opbouw voor de supergeleidende kabel. Daaraan deden onderzoekers van de Universiteit Twente, onder leiding van ing. Arend Nijhuis, mee.

Vlechten

Zij stelden voor om bij het in elkaar vlechten van de kabels een grotere spoed (de afstand die een spiraal aflegt na één omwenteling) aan te houden. ‘Daardoor worden de mechanische krachten beter verdeeld over de dunste vezeltjes’, aldus Nijhuis. Bijkomend voordeel is dat het Twentse kabelpatroon zorgt voor kleinere kringstromen. Die ontstaan altijd, doordat de verschillende draadjes elkaar raken. Dat levert geleidende lusjes op, die het wisselende magneetveld opvangen. ‘Hierdoor kunnen er overal in de kabel plekjes ontstaan die te veel opwarmen, zogeheten hotspots.’ Door opwarming zou de kabel zijn supergeleidende eigenschap kunnen verliezen en dat zou funest zijn voor de ITER-reactor.

Kleinere spoed

Een tweede optie was om juist genoemde spoed kleiner te maken. Tijdens proeven vorig jaar werden deze twee alternatieven vergeleken met twee bestaande kabelontwerpen van ITER. Hieruit bleek dat beide alternatieven een verbetering opleverden, maar dat een kabel met kleine spoed het minst degradeert. De crux is dat de strengen in de kabel elkaar vastzetten, zodat ze niet meer kunnen buigen en dus minder snel slijten. Zowel Amerikaanse als Japanse leveranciers hebben inmiddels laten zien dat ze kabels kunnen produceren die voldoen aan de eisen van ITER.

Er zit echter nog een mogelijk addertje onder het gras. ‘Het minpunt van de korte spoed is dat het veel grotere kringstromen oplevert’, zegt Nijhuis. ‘Het is de vraag of de kabel onder de sterk wisselende velden van de centrale solenoïde ook nog stabiel is. Dat aspect is niet getest en zal waarschijnlijk ook niet getest kunnen worden de komende jaren. We kunnen het alleen maar onderzoeken met onze nieuwste computermodellen en daar zijn we nu volop mee bezig.’

Foto's: Arend Nijhuis/Universiteit Twente.