De binnenwand van kernfusiereactor ITER houdt zich goed. In de kleinere proefreactor JET in Engeland zijn de afgelopen maanden duizenden panelen van beryllium en wolfraam onderworpen aan de eerste tests. De vernieuwde wand neemt tien keer minder brandstof op dan de oude en slijt veel minder snel.

Voortvarend werken Franse bouwvakkers in de Provence aan de bouw van kernfusiereactor ITER. Daar moet over een paar jaar voor het eerst een plasma meer energie opleveren dan erin gaat. Die energie komt vrij in een proces waarbij verschillende soorten waterstofkernen met elkaar versmelten. Om deze kernen daarvoor hard genoeg te laten botsen wordt een plasma – een ultraheet gas – opgewekt in een donutvormige reactor. Sterke magneetvelden houden het plasma bij elkaar en zo veel mogelijk weg van de wand, waar het energie zou verliezen.

Donutvormige reactor

Om ITER succesvol te kunnen bouwen en laten werken zijn niet alleen nieuwe materialen en processen nodig, maar ook meer begrip van de fysische verschijnselen die optreden in een plasma van 150 miljoen °C. Om die reden staat in een laboratorium in het Zuid-Engelse Culham, bij Oxford, een kleinere donutvormige reactor, JET (Joint European Torus). Die is al begin jaren tachtig gebouwd, maar door het toentertijd extreem degelijke ontwerp en door talloze tussentijdse upgrades is hij veel langer blijven werken dan vooraf was becijferd.

In ITER zal uiteindelijk een brandstofmengsel van deuterium en tritium (waterstof met respectievelijk één en twee neutronen in de kern) worden gebruikt, maar JET draait nu nog meestal op een plasma van alleen deuterium, in sessies van enkele tientallen seconden. De verwachting is dat ook de Engelse reactor op een gegeven moment overgaat op het deuterium-tritiummengsel.

Binnenwand

De meest recente belangrijke verbouwing kwam gereed in mei 2011. Dat was een ingrijpende: JET had lange tijd een binnenwand van koolstoftegels, maar die werden nu stuk voor stuk vervangen door zo’n vijfduizend panelen van beryllium en wolfraam. Het grootste deel van de binnenkant van de reactor is gemaakt van beryllium. Dit is een metaal met een laag atoomnummer, dat daardoor voor maar weinig energieverlies door straling zorgt. Het extreem robuuste wolfraam zit in de divertor, een soort goot onderin, die dient om de producten af te voeren die in de fusiereactie worden gevormd.

De divertor. Illustratie EFDA.

Het is de bedoeling dat precies zo’n wand straks ook in ITER komt te zitten. Als er dus problemen mee optreden – en dat is wel te verwachten, aangezien kernfusie op deze schaal nog nooit is vertoond – dan willen de onderzoekers die graag in JET oplossen vóórdat grote broer ITER er vertraging door oploopt. JET is de enige reactor ter wereld die nu al dezelfde wand heeft als ITER straks.

Verrassende bevindingen

In augustus 2011 was deze wand klaar, zodat de JET-reactor weer kon worden opgestart. De eerste reeks experimenten is eind juli beëindigd. De eerste bevindingen zijn verrassend. ‘Eigenlijk hebben we helemaal opnieuw moeten leren fietsen’, zegt dr. Peter de Vries, taskforce- en sessieleider bij JET en hoofd van de diagnostiekgroep bij FOM DIFFER (Dutch Institute For Fundamental Energy Research, voorheen FOM Rijnhuizen) in Nieuwegein.

De Vries coördineert het wetenschappelijke EU-onderzoek bij JET. Daarnaast is hij een van weinigen die aan de knoppen zit tijdens het draaien van de plasmareactor. ‘Ik had niet verwacht dat die nieuwe wand zo’n enorme invloed zou hebben op het plasma. Dat de buitenkant van het plasma er last van heeft, is logisch, maar ook de kern ervan wordt beïnvloed. Dat leidt ertoe dat we het opstarten, draaien en uitzetten opnieuw hebben moeten leren beheersen.’

Goed nieuws

Het goede nieuws is dat de nieuwe wandmaterialen precies datgene lijken te doen waarvoor ze zijn ingebouwd: veel minder brandstof in zich opnemen dan de oude koolstofwand, tot wel een factor tien. Welke variant van waterstof het ook was, het koolstof zoog deze brandstof in zich op, waarbij koolwaterstoffen werden gevormd, die ook nog radioactief kunnen zijn. Vanwege de veiligheid is daar voor ITER een limiet aan gesteld. ‘Het materiaal dat bij dit proces van fuel retention in de wand achterblijft, maakt het moeilijk om de fusiereactie te beheersen’, licht De Vries toe.

Minder slijtage

Een tweede effect van de nieuwe wand is dat deze veel minder snel lijkt te slijten dan de oude van koolstof. Daarbij kwam relatief veel materiaal los: minuscule koolstofdeeltjes brokkelden af en kwamen in het plasma terecht. Uiteindelijk sloegen die neer in alle hoeken en gaten van de reactor. ‘Als dit straks in ITER gebeurt, dan hebben we het over honderden grammen materiaal dat brandstof aan zich bindt.’ Om veiligheidsredenen zou de reactor dan vroegtijdig moeten worden stilgelegd. ‘Dat zou dramatisch zijn’, aldus De Vries.

Robotarmen

Binnenkort gaan medewerkers van JET de slijtage van wand en divertor nader onderzoeken door simpelweg enkele panelen los te schroeven en nauwgezet te bestuderen. Om die reden ligt de reactor nu tijdelijk stil. Het zijn overigens robotarmen die naar binnen gaan om de panelen van wand en divertor te pakken. Voor mensen is het onmogelijk om dit te doen, aangezien de reactor aan de binnenkant radioactief is geworden na de fusiereacties.

‘Nu gaan we wandpanelen onderzoeken om te achterhalen waar het weggesleten beryllium zich ophoopt en hoeveel waterstof er daarmee wordt opgeslagen’, vertelt dr.ir. Gerard van Rooij van onderzoeksinstituut FOM DIFFER en ook betrokken bij JET. In Nieuwegein staat sinds vorig jaar de proefopstelling Magnum-PSI, waarin op kleine schaal een stuk materiaal wordt blootgesteld aan een heet plasma. ‘Op deze manier checken we in een zeer gecontroleerde omgeving de invloed van het plasma op de snelheid van erosie in het wolfraam.’

Randje

Begin 2013 is de huidige shutdown van JET weer voorbij. Dan gaan De Vries en zijn collega-natuurkundigen weer aan de slag met het maken van plasma in de donut om antwoord te krijgen op veel onderzoeksvragen. Een eerste doel dat ze voor ogen hebben, is het moedwillig inbouwen van problemen, om te kijken wat er dan gebeurt. Zo zijn alle panelen in de divertor exact uitgelijnd. Een glad oppervlak garandeert dat deeltjes die uit het plasma schieten, niet loodrecht tegen een oppervlak kunnen komen.

‘Maar nu gaan we juist met opzet een opstaand randje aanbrengen’, vertelt De Vries. ‘We verwachten dat dit randje zo warm wordt dat het smelt, waardoor er misschien zelfs wolfraam loslaat en in het plasma terechtkomt. Alweer met ITER in ons achterhoofd willen we graag weten wat er gebeurt als zo’n probleem optreedt: lopen de prestaties terug of stopt het plasma er zelfs helemaal mee?’

Vermogen verhogen

Een tweede doel is het steeds weer verhogen van het vermogen dat ze in het plasma stoppen. ‘Zo drijven we het proces tot het uiterste en komen we steeds een stapje dichter bij ITER-condities, terwijl de interactie tussen plasma en wand zo klein mogelijk blijft.’

JET dient in eerste plaats niet om een plasma te maken dat netto energie opwekt. ‘Bij JET bereiden we het succesvol draaien van ITER voor. Daarom willen we die situatie zo nauwkeurig mogelijk nabootsen, inclusief het uiteindelijke brandstofmengsel van deuterium en tritium. Op die manier hopen we zo veel mogelijk op te steken van de natuurkunde van dit soort extreme plasma’s, zodat we daar bij ITER van kunnen profiteren. Daarnaast zullen we bij JET straks wellicht de jonge mensen opleiden die ITER moeten gaan bedienen.’

De stand van zaken bij de bouw van ITER: in juli 2012 is nabij het Zuid-Franse Cadarache de fundering gereedgekomen voor de reactor, de tritiumfabriek en gebouwen voor diagnostische apparatuur. De dempende sokkels dienen om deze te beschermen tegen seismische trillingen. Foto: ITER.