JET in een nieuw jasje

Artikel uit NWT Magazine:  met deze reportage won Anouck Vrouwe de VWN-publicatieprijs 2012. De jury, die bestond uit Govert Schilling en Niki Korteweg, vond haar artikel met kop en schouders boven de concurrentie uitsteken. ‘Het is een levendig, goedlopend verhaal over de “grande dame van de kernfusie”, met alle diepgang waar het onderwerp om vraagt, doorspekt met kleurrijke omschrijvingen van hoe het er precies uitziet in de JET, en hoe gepassioneerd de wetenschappers zijn die ze heeft geïnterviewd’, aldus het juryrapport.

Fusiereactor JET, de grand dame van het veld, is weer helemaal bij de tijd. Een nieuwe reactorwand moet fusiereacties van 150 miljoen graden in goede banen leiden. Maar het staat nu al vast dat ook die niet goed genoeg zal zijn voor het einddoel van het fusie-onderzoek: een commerciële fusiecentrale. NWT Magazine bezocht de vernieuwde reactor.

De vloerbedekking in de hal – een druk patroon met cirkels - is zo gedateerd, dat het bijna weer hip is. Het auditorium is een tijdmachine naar eind jaren zeventig. En zelfs in het technologische hart van het Culham Center for Fusion Energy is het moeilijk te zien dat er bijna dertig jaar is verstreken sinds het eerste plasma in 1983. In een immens grote hal staat de fusiereactor Joint European Torus (JET). De stalen pijpen, het oranjekleurig transformatorjuk en de overalls van de medewerkers – het oogt tijdloos. Maar schijn bedriegt: JET is helemaal bij. De machine loopt al twee decennia in reservetijd, maar is na een onderhoudsronde van twee jaar fitter dan ooit. Dankzij een nieuwe binnenwand en extra verhitting beginnen de fysici aan een nieuw hoofdstuk in fusie. In augustus brandde er weer een eerste, voorzichtig plasma. 

Bij kernfusie versmelten twee waterstofkernen (deuterium en tritium) tot helium en een neutron. Hierbij komt veel energie vrij. Dat voelen we dagelijks: de zon loopt op fusie. De mensheid droomt al tijden van een eigen zonnetje op aarde. In 1955, tijdens de eerste Atoms for Peace-conferentie van de Verenigde Naties voorspelde voorzitter Homi Bhabha dat er binnen twintig jaar een methode zou komen om fusie-energie gecontroleerd vrij te laten komen. ,,Als dat lukt, zal het energieprobleem van de wereld voor altijd zijn opgelost”, beweert hij optimistisch.

Bhabha zat er ver naast: JET is een onderzoeksreactor en ook opvolger ITER zal een onderzoeksreactor zijn. De eerste commerciële fusiereactoren verschijnen op zijn vroegst in 2050 op het toneel – als ze komen. Toch riep Bhabha niet zomaar wat, in 1955. Hij baseerde zijn verwachting op de ontwikkeling van kernsplijting. De wereld was in tien jaar van kernbom naar kerncentrale gegaan. De eerste waterstofbom ontplofte in 1952. Hoe lang kon het nou duren, van daar naar de eerste fusiecentrale?

Het is inmiddels 2011. In het Engelse plaatsje Culham, in de buurt van Oxford, werken wetenschappers aan een nieuwe ronde fusie-experimenten. De gesprekken gaan over de binnenwand van JET. Met robotarmen zijn de oude koolstoftegels verwijderd en 2200 nieuwe, metalen tegels geplaatst. ‘De wand is het meest uitdagende onderdeel van de reactor’, volgens projectleider wand Guy Matthews. Het zou Engels kunnen zijn voor ‘de wand is het hoofdpijndossier van het fusie-onderzoek’.

Bhabhas voorspelling kwam niet uit doordat kernfusie wezenlijk verschilt van kernsplijting. De kunst van een kerncentrale is om de kernreactie af te remmen, zodat hij niet ontspoort. Kernfusie moet je daarentegen behoorlijk pushen. Bijkomstige moeilijkheid: de reactie verloopt in een plasma van 150 miljoen graden. Dat wordt met sterke magneten zwevend worden gehouden in het donutvormig reactorvat. Bij de wand is het plasma kouder, maar de wandtemperatuur loopt toch nog op tot een paar honderd graden. Onderin in de reactor komen uitschieters tot 1500 graden voor.

De oude koolstofwand van JET was sterk, maar koolstof reageert met het plasma. De wand slijt snel en vervuilt de reactor. De brandstof voor fusie mag dan goedkoop en ruim voorradig zijn, als een fusiecentrale in plaats daarvan in hoog tempo dure binnenwanden verslindt, wordt het niets. Zeker niet omdat de wand radio-actief wordt door de neutronen uit de fusiereactie. De vervanging moet met robots, wat tijdrovend en kostbaar is. Matthews: ,,Of fusie-energie in de toekomst economisch rendabel wordt, hangt in hoge mate af van de levensduur van de wand.”

ITER, de internationale onderzoeksreactor die nu in Frankrijk wordt gebouwd, krijgt een ‘all metal wall’. Een wand van beryllium, met onderin, waar de grootste klappen vallen, een wolfraamdeel. ITER is een slag groter dan JET. Hij is ontworpen om tien keer meer energie te maken dan er in gaat. Ter vergelijking: JET is de huidige recordhouder met een topprestatie van 64 procent - 25 megawatt er in, 16 er uit. Ter voorbereiding op ITER is JET nu ook uitgerust met een wand van beryllium en wolfraam. ,,Onze kleine ITER”, noemt Francesco Romalli, wetenschappelijk directeur van JET, zijn machine liefdevol. Zijn zware, Italiaanse accent maakt het extra charmant.

Voor de operators van JET is de mini-ITER wennen. Een fusiereactor is geen apparaat dat je aan zet en dat het dan gewoon doet. Het is eerder een delicaat muziekinstrument dat bij een verkeerde behandeling ontstemd raakt. In het ergste geval ontspoort het plasma en vliegt het tegen de wand, die daardoor kan beschadigen. De operators voeren het vermogen daarom voorzichtig op. De Nederlander Peter de Vries is een van hen: ,,We moeten opnieuw leren lopen, het is een heel nieuw apparaat.”

De nieuwe wand heeft mooie eigenschappen. Wolfraam is hard en met zijn smeltpunt van 3700 graden Celsius zeer hittebestendig. Beryllium is een licht element, maar sterker dan staal. ,,De experimenten verlopen volgens verwachting”, aldus wandenman Matthews. Dat is belangrijk nieuws voor de bouwers voor ITER. Het megaproject loopt achter op schema en kan geen gedoe met de nieuwe wand gebruiken.

Toch weet Matthews nu al dat deze wand een tussenoplossing is. Beryllium erodeert makkelijk en is niet zo hittebestendig als koolstof en wolfraam. Wolfraam is een relatief zwaar element, nummer 74 in het periodiek systeem. Als er atomen losspringen, gedraagt het zich een olifant in de porseleinkast: het vervuilt het plasma dusdanig, dat het kan doven. Bovendien wordt wolfraam bros door de neutronen die vrijkomen bij fusie. ,,In JET en ITER is dit geen probleem. Veel van het onderzoek gebeurt met deuteriumplasma’s, er komen dan geen neutronen vrij. Bovendien duren de experimenten niet lang. Maar na ITER staat DEMO op de planning, een demonstratiecentrale. Dan gebruiken ze wél de echte brandstofmix en brandt het plasma lang achter elkaar. De wand moet daar wel tegen bestand zijn”,  legt Matthews uit. ,,En deze wand is daar niet op gemaakt.”

Hoe zal de opvolger er dan uitzien? ,,Dat weten we nog niet.” Toch wolfraam? Of andere exotische alternatieven, zoals het gebruik van vloeibaar metaal? ,,Er wordt hard aan gewerkt”, zegt Matthews terwijl hij zijn schouders optrekt. Wat het wordt, weet niemand. In Nederland heeft onderzoeksinstituut FOM Rijnhuizen in ieder geval een slimme zet gedaan door een nieuwe faciliteit te bouwen waar de interactie tussen plasma en wandmaterialen wordt onderzocht. Hoofd fusie Tony Donné vertelt dat het nieuwste onderzoek zich richt op wolfraamverbindingen die robuuster zijn dan de huidige variant. Ook gaat Rijnhuizen met vloeibare metalen aan de slag: ,,Denk daarbij aan een dunne film, die over de wand stroomt. Het fijne is dat je zo ook veel warmte afvoert.”

Geen van de wetenschappers bij JET twijfelt eraan dat ITER zijn doelstellingen haalt. Iedereen verwacht dat er in de toekomst betere wanden komen. Maar aan uitspraken à la Bhabha - of fusie commercieel haalbaar is en op welke termijn - waagt niemand zich. We moeten het in ieder geval onderzoeken, zo luidt het motto. ,,De mensheid kan het zich domweg niet veroorloven om een energiebron van dit formaat te laten liggen”, vindt directeur Romanelli. En als het westen er geen vaart achter zet, als ITER verder vertraagt en het eindeloos duurt om geld voor demonstratiecentrale DEMO op tafel te krijgen, dan neemt Azië het stokje over. Romanelli: ,,Daar voelen ze de urgentie van het energieprobleem. In China zijn al plannen om een reactor van de omvang van ITER te bouwen.” Het stelt hem gerust: als wij het hier verprutsen, is daar een vangnet.

 

Break even

De Europese fusiereactor JET was in 1983 een reuzenstap. Het vier meter hoge reactorvat was groter dan alle voorgaande experimenten. En hoe groter de reactor, hoe hoger de opbrengst. Na JET moest ITER komen, een grote, internationale fusiereactor. Toen begon de bureaucratie: het ontwerp moest kleiner en goedkoper, Amerika trok zich terug, Amerika deed weer mee en er was eindeloos gedoe over de locatie. In 2005 werd eindelijk besloten ITER te bouwen, in Frankrijk.

Daarmee komt het lang beloofde break even binnen bereik: meer energie het plasma uit dan er in gaat (50 megawatt in, 500 uit). Fusiereactor JET is nu recordhouder met 64 procent (25 megawatt in, 16 uit). Maar dankzij de nieuwe wand en extra verhitting kan er nu meer in JET. ,,We hebben nu 34 megawatt  tot onze beschikking. Dit zal de machine laten zingen”, straalt Elizabeth Surrey, die meewerkte aan het nieuwe ontwerp van de verhitting.

Break even zou een mooie stunt zijn. Maar de wetenschappers bij JET willen er niet aan. Wetenschappelijk coördinator Peter de Vries kijkt er vies bij. ,, Break even, daar bouwen we ITER voor. Die machine is zo groot dat je weet dat het lukt”, vindt hij. ,,Hier is het op de grens van wat kan.” De Vries molt de machine liever niet met een wild west-actie. Ook andere fysici denken er zo over, ook omdat het breken van de grens ‘geen nieuwe fysica’ oplevert. Het is een symbolisch punt, belangrijk voor pers en managers maar niet voor de wetenschap – zo klinkt het. En wat als je het probeert en je blijft op steken op vijfennegentig procent? Dan lijkt het op falen, terwijl break even nooit het doel van JET was. In Engeland laten ze de eer aan ITER.