Een compacte kernfusiereactor bij Oxford heeft een plasma weten te verhitten tot een temperatuur van 100 miljoen graden Celsius. Daarmee is het de eerste voornamelijk met privaat geld gefinancierde reactor die deze mijlpaal haalt.
 

De reactor in kwestie is de ST-40 van het bedrijf Tokamak Energy. Eerder haalde deze zogenoemde spherical (bolvormige) tokamak temperaturen van ‘maar’ zo’n 15 miljoen graden – veel te laag om daadwerkelijk energie te kunnen halen uit het samensmelten van atoomkernen.

Nu meldt het bedrijf de 100 miljoen graden Celsius te hebben aangetikt, een record voor dit type reactor. Dit resultaat is, zo meldt Tokamak Energy, geverifieerd door een team van onafhankelijke experts. Aan een wetenschappelijke publicatie met details erin wordt nog gewerkt.
 

Cruciale stap

Nick Walkden, hoofd van het Executive Office van de Britse Atomic Energy Authority en betrokken bij een andere bolvormige tokamak, MAST Upgrade, noemt de behaalde temperatuur van 100 miljoen graden Celsius desgevraagd ‘een erg indrukwekkende technologische demonstratie’.

‘Hoewel er nog een aantal technologische uitdagingen is op de weg naar een commerciële kernfusiereactor, is de mogelijkheid om de fusiebrandstof op zijn plek te houden bij fusie-relevante temperaturen zeker een cruciale stap.’
 

150 miljoen graden

Nu noemt Tokamak Energy die 100 miljoen graden zelf ‘de drempel naar commerciële fusie-energie’. Dat lijkt net wat veel gezegd: voor fusie tussen de waterstofisotopen deuterium en tritium – de gunstigste fusiebrandstof – zijn temperaturen nodig van zo’n 150 miljoen graden.

Volgens Walkden is dat verschil echter niet zo van belang. ‘Als je kunt laten zien dat je 100 miljoen graden haalt, kun je je technologie waarschijnlijk ook wel opschalen om nóg hogere temperaturen te halen.’

Overigens zijn er tal van andere reactoren die dit soort temperaturen hebben gehaald – maar die werden allemaal bekostigd met overheidsgeld. Tokamak Energy is de eerste partij die dit is gelukt met een reactor die voornamelijk door investeerders is gefinancierd.
 

Donut wordt bol

Maar over wat voor soort reactor hebben we het hier dan? Het meest gehanteerde ontwerp voor een kernfusiereactor is de zogenoemde tokamak (de meest bekende is die van het megaproject ITER). Daarbij bevinden de te fuseren atoomkernen zich in de vorm van een plasma – een geïoniseerd gas – in een donutvormige reactor.

Dat plasma wordt onder meer in bedwang gehouden door staande, ringvormige magneten die rond die donut zitten. Daardoor kun je die donut niet zomaar kleiner maken. Die ringen moeten natuurlijk wel allemaal door het gat in het midden blijven passen.

Tenzij... je de binnenste helft van die ringen afsnijdt en ze vervangt door één rechtopstaande pilaar. Dan kun je je donut omvormen tot een bol. Dat levert je een veel compactere reactor op: een bolvormige tokamak.
 

Stukken goedkoper

Dat kleine formaat maakt een reactor stukken goedkoper, maar het heeft ook zo zijn nadelen. Onder andere zit het plasma dichter bij de wand en raakt met name de centrale pilaar beschadigd door de enorme hoeveelheden neutronen die bij de fusiereacties ontstaan. Bovendien is het oppervlak van de wand kleiner, waardoor er bijvoorbeeld minder plek is voor meetapparatuur. Toch vinden verschillende partijen het idee kansrijk genoeg om te proberen het door te ontwikkelen naar een reactor die daadwerkelijk energie opwekt en aan het stroomnet levert.
 

Pilot plant in de jaren dertig?

Nu neemt Tokamak Energy geen genoegen met ‘alleen maar’ een bolvormige tokamak. Waar ST-40 nog gebruikmaakt van gewone magneten, werkt het bedrijf toe naar een reactor met magneten van hogetemperatuursupergeleiders (HTS). Zulke magneten worden, zoals de naam al zegt, bij hogere temperaturen supergeleidend dan ‘gewone’ supergeleiders, die de internationale fusiereactor ITER straks gaat gebruiken.

Die HTS-magneten ontwikkelt Tokamak Energy nu parallel met hun bolvormige tokamak. Later is het dan de bedoeling om die twee technologieën samen te voegen in één reactor: de ST-HTS. Die zou ergens halverwege dit decennium in gebruik genomen moeten worden.

Een echte, commerciële pilot plant van dit type staat dan in de planning voor begin jaren dertig. Waarbij aangetekend dat kernfusiebedrijven die het moeten hebben van private investeringen zichzelf vaker dit soort ambitieuze deadlines stellen – die vervolgens lang niet allemaal realistisch blijken.

 

In de editie van januari 2022 zetten we in De Ingenieur een aantal bedrijven naast elkaar die werken aan commerciële kernfusie.
 

Tekst: Jean-Paul Keulen
Afbeeldingen Tokamak Energy