06-06-2006: Stap voor stap op weg naar de ultieme energiebron
Op 24 mei werd in Brussel het ITER-agreement ondertekend door India,
China, Zuid-Korea, de Russische Federatie, Japan, de VS en de EU. ITER
is het internationale kernfusieproject dat moet aantonen dat in een
fusiereactor daadwerkelijk veel meer vermogen kan worden opgewekt dan
nodig is om de reactor te bedrijven. In theorie kan een fusiereactor
een jaar lang draaien op slechts enkele honderden kilos brandstof die
bovendien overal voorradig is: zwaar water en Lithium. Om dat echter
voor elkaar te krijgen, moet de wetenschappelijke wereld echter nog
een paar problemen oplossen. Twee belangrijke knelpunten zijn door
Sanjeev Varshney en Victor Veremiyenko aangepakt. Zij verdedigen
beiden maandag 12 juni hun proefschrift aan de Technische Universiteit
Eindhoven (TU/e).
Duurzame energie
De energievoorziening gaat in zijn huidige vorm niet lang meer mee. De
eindige voorraden van olie en gas, en de noodzaak tot terugdringing
van de CO2-uitstoot dwingen tot een overschakeling op alternatieve
energiebronnen. Volgens de eerste promotor van beide promovendi Prof.
Niek Lopes Cardozo, deeltijdhoogleraar fysica van de kernfusie aan de
TU/e en hoofd Fusion Research bij FOM Rijnhuizen, is daarbij zeker een
rol weggelegd voor kernfusie. Kernfusie heeft een heel gunstig,
duurzaam, profiel: de brandstof is er voor iedereen en is in wezen
onuitputtelijk. Het proces is schoon en veilig en er is geen
proliferatie-issue. Daarom werkt de hele wereld ook zo hard samen om
het mogelijk te maken. Kernfusie heeft echter als bezwaar dat het
technologisch heel moeilijk is. Maar het is onvermijdelijk dat we de
wereld van duurzame energie moeten voorzien. Want de vraag naar
energie zal enorm groeien ten gevolge van de groeiende welvaart van 4
miljard wereldburgers die nu bijna geen energie gebruiken. Om in die
toekomstige vraag te voorzien zijn maar heel weinig opties. Kernfusie
is daar een van.
E=mc2
Kernfusie is eigenlijk het omgekeerde van kernsplitsing, waarop de
huidige kerncentrales gebaseerd zijn. Vallen bij kernsplitsing zware
atomen uit elkaar, waarbij veel radioactieve straling en afval
vrijkomt, bij kernfusie smelten twee lichte atomen samen. Zonder al te
veel milieuproblemen. Twee zware waterstofkernen (Deuterium en
Tritium) smelten samen tot een Heliumatoom. Deuterium is afkomstig uit
water, en Tritium kan gewonnen worden uit het overvloedige metaal
Lithium. Deze samensmelting zorgt voor een beetje verlies aan massa,
waarbij (E=mc2) energie vrijkomt. In het midden van de zon treden door
de enorme zwaartekracht en een temperatuur van 10 miljoen graden
Celsius deze processen spontaan op.
250 miljoen graden Celsius
Nu beschikken we op aarde natuurlijk niet over zon grote zwaartekracht
als de zon. De oplossing die de kernfusiewetenschappers hebben bedacht
is om het proces op gang te krijgen met de zogenaamde ITER-reactor.
Deze werkt als volgt. Een waterstofplasma wordt in de ringvormige baan
opgewekt met grote magnetische velden. Bij een druk van een paar
atmosfeer, en bij een temperatuur van 250 miljoen graden Celsius
vinden er in het plasma kernfusiereacties plaats. Het gevormde Helium
wordt afgevangen, de energie in de vorm van straling wordt in de
buitenwand opgevangen. ITER is nog een experimentele reactor, pas de
opvolger van ITER zou de opgewekte energie ook aan het
elektriciteitsnet kunnen leveren. Het doel van ITER, die in 2016 in
bedrijf komt, is om gedurende pulsen van 1000 seconden tienmaal zoveel
vermogen uit kernfusiereacties op te wekken dan nodig is om de reactor
te bedrijven.
Fundamentele vraagstukken
Voordat het zover is, moet echter nog een aantal fundamentele
vraagstukken worden opgelost. Cardozo: De bouw van zon reactor is
natuurlijk voor een groot deel een industriële activiteit voor de
grote industrie en gespecialiseerde bedrijven. Parallel daaraan is er
nog flink veel fundamenteel onderzoek nodig. Varshney en Veremiyenko
hebben dan ook gewerkt aan de twee belangrijkste fysische uitdagingen.
De magnetische turbulentie in het waterstofplasma zorgt nog voor
problemen, net als de erosie aan onderdelen van de wand door de enorm
hoge warmteoverdracht.
Magnetische eilanden
Sanjeev Varshney heeft zijn aandacht gericht op de eerste uitdaging,
het magnetische veld in het waterstofplasma van de reactor. Om de
fusiereacties optimaal te laten verlopen, onderzocht hij twee
magnetische fenomenen die dat in sterke mate beïnvloeden. Zogenaamde
magnetische eilanden in het plasma, waar het magnetisch veld sterk
afneemt, hebben een negatieve invloed op de insluiting van het plasma.
En transportbarrières in het plasma bevorderen het insluiten van het
plasma. Varshney is er als eerste in geslaagd om een meetmethode te
ontwikkelen die deze beide fenomenen inzichtelijk kan maken. Hiermee
kan in de toekomst het gedrag van het plasma beter worden begrepen en
verbeterd.
Erosie
Victor Veremiyenko heeft zich gericht op de tweede problematiek, het
onderdeel van de kernfusiereactor dat de meeste thermische belasting
ondergaat. Onderaan de ringvormige reactor bevindt zich namelijk de
zogenaamde divertor, waar de temperaturen aan de wand het hoogste
zijn. De erosie aan het speciale carbonmateriaal die daar zal optreden
is nu nog onaanvaardbaar hoog. Om dit proces beter te begrijpen, en
een divertor te ontwikkelen die lange tijd kan meegaan, heeft
Veremiyenko de plasma-wand interactie die in de uiteindelijke
ITER-reactor zal optreden kunnen simuleren. Via het combineren van een
boogontlading met een sterk magneetveld is hij daar in geslaagd.
Technische Universiteit Eindhoven