In het Duitse Greifswald staat een bijzonder type kernfusiereactor. Bij dit gecompliceerde apparaat is het reactorvat dubbel getordeerd en hebben de magneetspoelen de meest grillige vormen.

Niets in de kernfusiereactor van het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in het Duitse Greifswald is rechttoe rechtaan. De geometrie is zelfs zo uitzonderlijk dat het ontwerpen ervan zonder de moderne supercomputer niet eens mogelijk was. De vormenspaghetti heeft te maken met het plasma, het tot 30 miljoen °C hete gas van los zwevende waterstofionen. Die atoomkernen moeten onder een druk van 10 bar versmelten tot helium, waarbij grote hoeveelheden energie vrijkomen – kernfusie dus.

Stabiel plasma

Maar voor het zover is, moet deze reactor eerst bewijzen geschikt te zijn om het plasma voor langere tijd vast te houden, zonder dat het ook maar ergens de wand raakt en daardoor instabiel wordt, ineenstort en dus ook geen energie meer produceert. Bij de eerste test ligt de lat op enkele seconden stabiel plasma, aan het eind van het decennium op minstens dertig minuten. De complexe vorm van het apparaat zal dat mogelijk maken, zo claimen de Duitse wetenschappers.

Schematische weergave van de opbouw van de stellarator.

De werking laat zich het beste uitleggen met een versimpeld beeld, namelijk van een spoel gewikkeld om een cilinder. Het inwendige magneetveld zorgt ervoor dat de geladen plasmadeeltjes binnen de cilinder blijven. Dat geldt echter niet bij de uiteinden, dus het ligt voor de hand de cilinder rond te buigen tot een gesloten geheel. Het gevolg daarvan is echter dat het magneetveld binnen de cilinder niet meer symmetrisch is: aan de binnenkant zitten de draden van de spoel dichter bij elkaar dan aan de buitenkant.

De Duitse kernfusiereactor lost dat op door het magneetveld niet die eenvoudige cilindrische vorm te geven, maar een dubbel getordeerde. Een plasmadeeltje dat zich ergens aan de buitenkant van dit magneetveld bevindt, gaat op een kwart van de ronde naar de binnenkant van het magneetveld. Dat herhaalt zich nog een keer. Dus waar het plasmadeeltje zich ook bevindt, het ondervindt al rondjes draaiend gemiddeld altijd dezelfde veldsterkte.

Gedeukt en uitgestulpt

Zo’n complex magneetveld vereist speciaal gevormde magneetspoelen. Bij sommige lijkt het of iemand ze van grote hoogte heeft laten vallen, zo gedeukt en uitgestulpt zien ze eruit. Maar het is uitgekiend precisiewerk, waarvoor supercomputers nodig waren om de vorm ervan uit te kunnen rekenen.

Verder is het instituut al ruim tien jaar samen met Duitse bedrijven bezig om ze te kunnen produceren. Los van de ingewikkelde vorm moeten de spoelen ook nog eens supergeleidend zijn en stroomsterktes tot 80 kA bij een spanning van 6 kV aankunnen.

Voor die supergeleiding zitten de spoelen in een vacuüm geïsoleerd koelvat, waarin vloeibaar helium circuleert. De binnenkant van dat vat is tegelijk de reactorwand. De magneetspoelen zitten eromheen, dus de reactorwand heeft ook die dubbel getordeerde vorm. De buitenkant van het koelvat ziet er wat meer als gebruikelijk uit, zij het dat er ruim 250 openingen in zitten.

Segmenten van de buitenwand.

Diamant

Het meest bijzonder zijn de tien openingen voor de microgolven waarmee het plasma als in een zeer krachtige magnetron wordt verhit; elke opening krijgt een vermogen van 1 MW aangeleverd. De enige vacuümafdichting die daarbij voldeed, was een schijf diamant van 360 karaat. Verder zijn er openingen voor koelvloeistof, stroomtoevoer naar de spoelen, bedrading voor sensoren en besturing, en de afvoer van in de reactor vrijgekomen hitte. En al die gaten moeten vacuümdicht zijn gelast.

Sterren

Al deze ingewikkeldheden en het niet goed werken van eerdere testinstallaties hebben ertoe geleid dat de aandacht voor dit type kernfusiereactor, ook wel stellarator genoemd (een verwijzing naar de sterren) naar de achtergrond is geraakt. Het andere model, de donutvormige tokamak, is met zijn symmetrische vorm in ieder geval op papier een stuk eenvoudiger te engineeren.

Gekscherend wordt het verschil tussen beide reactorontwerpen wel als volgt aangegeven: de stellarator is complex om te maken, maar het plasma stabiel houden is eenvoudig; bij de tokamak is het precies omgekeerd.

Het grootste exemplaar, ITER, is momenteel in het Franse Cadarache in aanbouw. Het eerder vermelde probleem van het niet-symmetrische magneetveld van de rondgebogen cilinder lost de tokamak op door het plasma zelf als een spoelwinding te gebruiken waar een stroom doorheen loopt. Keerzijde is dat die aanpak het stabiel houden van het plasma ingewikkeld maakt.

Gekscherend wordt het verschil tussen beide reactorontwerpen wel als volgt aangegeven: de stellarator is complex om te bouwen, maar het plasma stabiel houden is eenvoudig; bij de tokamak is het precies omgekeerd.

Het dubbel getordeerde reactorvat.

De kernfusiecentrale in Greifswald heeft de naam Wendelstein 7-X gekregen, naar de berg Wendelstein in de Beierse Alpen waar het Max-Planck-Institut vlakbij zijn eerste type experimentele stellarator bouwde.

Grootste stellarator

Elders in de wereld zijn er ook experimenten met dit type kernfusiereactoren, zij het dat de uitwerking bij allemaal toch weer verschillend is. De Helically Symmetric Experiment, momenteel in aanbouw bij de Amerikaanse University of Wisconsin, krijgt een plasmaring van 1,20 m. In het Japanse National Institute for Fusion Science wordt al langere tijd geëxperimenteerd met de Large Helical Device, die een plasmaring van 3,5 m heeft. Wendelstein 7-X is met een plasmaring van 5,5 m de grootste stellarator.