Een experimentele kernfusiereactor zoals ITER kost tientallen miljarden, maar is nog steeds niet in staat meer elektriciteit op te leveren dan er in gaat. Dat gaat veranderen met een nieuw reactordesign, zegt althans een groep onderzoekers.
Enorm potentieel, altijd dertig jaar in de toekomst
Kernfusie ligt altijd dertig jaar in de toekomst, gaat een oude grap die al zo lang meegaat als kernfusieonderzoek zelf. En dat is lang: al meer dan zestig jaar wordt er onderzoek gedaan naar kernfusie. Dat is niet voor niets. Kernfusie, het samensmelten van twee lichte atoomkernen tot een zwaardere atoomkern, zou ons in staat stellen om gebruik te maken van een bijna onuitputtelijke energiebron. Er is op aarde rond de 1015 ton deuterium. Een kubieke meter zeewater bevat 300x meer energie dan een kubieke meter benzine.
Het project begon als een uit de hand gelopen studentenopdracht aan de Amerikaanse technische universiteit MIT in Boston, in een werkgroep geleid door een van de auteurs, Dennis Whyte. Door deze opdracht kregen de studenten de smaak te pakken en bleven aan het project werken.
Half zo klein als de ITER-reactor
In de nieuwe fusiereactor, op basis van het bestaande tokamakmodel van ITER, wordt gebruik gemaakt van bestaande technologie en materialen. Het is dus een nu al haalbaar ontwerp. Tokamaks hebben een reactiekamer in de vorm van een torus, of donut. Het verschil is, dat in de nieuwe reactor alle koperen stroomkabels rond de reactiekamer zijn vervangen door een supergeleidend materiaal. Daardoor kunnen er veel sterkere stromen doorheen en dus worden de elektromagneten, die het plasma in de fusiereactor gevangen houden, veel krachtiger. De hoeveelheid fusie in een tokamak fusiereactor neemt toe met de vierde macht van de sterkte van het magneetveld. Daardoor kan de fusiereactor de helft kleiner, en dus goedkoper, worden dan de bestaande tokamakreactors. Het magneetveld in de nieuwe reactor is bijna twee keer zo sterk als in ITER, waardoor de hoeveelheid fusie tien keer zo groot wordt. ITER is een monsterlijk ding met een doorsnede van een meter of dertig. Deze nieuwe reactor is veel kleiner, rond de vijftien meter. De reactor kan eveneens in tien jaar gebouwd worden, maar voor een aanzienlijk lager bedrag dan de 25 miljard euro die het ITER-project opslokt.
Het materiaal dat in het nieuwe ontwerp voor de stroomkabels wordt gebruikt, de met vloeibare stikstof gekoelde supergeleider REBCO, bestond nog niet toen ITER werd ontworpen.
Papier is geduldig
Het gaat hier om een ontwerp dat nog niet in de praktijk is gebouwd. Hoewel de fysica erachter bekend is en uitgebreid getest, kunnen er altijd nu nog niet voorziene complicaties optreden. Mogelijk veroorzaken de extreem sterke magneetvelden een quench in de REBCO supergeleider, doordat ze de supergeleidende zone inperken en zo overbelasten.
Bron
ARC: A compact, high-field, fusion nuclear science facility and demonstration power plant with demountable magnets,” Fusion Engineering and Design, dx.doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.07.008
De elektronen in een massief lichaam, (geleider) stromen bij normale belastingen, (in verhouding tot de weerstand van een geleider bij een bepaalde stroomsterkte) altijd aan de buitenkant van de geleider. Mooi dacht ik destijds, (tientallen jaren geleden) hier kan ik iets mee. Ik bedacht dat als ik over vierkant koper lak draad kon beschikken, ik daar veel compactere en dus sterkere elektromagneten mee zou kunnen bouwen, bij een zelfde stroomverbruik. Een ronde geleider heeft immers steeds een dunne lijn als raakoppervlak tussen de wikkelingen, de rest is verspilde ruimte. Even dacht ik nog iets uitgevonden te hebben, maar zag al gauw de 5 mm dikke, vierkante wikkeldraad in lastrafo’s, dus het was niet nieuw, maar bleek alleen voor kleinere diameters niet beschikbaar. Dun zilver lak draad zou wel gaan, maar de prijs weer niet. Volgende oplossing was dan tien draadjes van 1/10 mm parallel wikkelen als één geleider. Kostte ook een smak geld, maar werkte wel. Het gelijkstroom motortje waarvan ik het ankertje opnieuw had gewikkeld, was nu sterker bij een gelijke stroomsterkte en spanning. De wikkelingen waren veel compacter, en dat gaf een aardig rendement.
Rond die tijd kwam ik een gepensioneerde, ietwat eigenaardige medewerker uit een Phillips laboratorium tegen in mijn stamkroeg, met de bijnaam Lampje. Dat kwam omdat zijn auto van binnen en zeker onder de motorkap, leek op een versie uit de serie “Back To The Future”. Koster heette de man, is inmiddels allang overleden, maar z’n telefoonnummer heb ik nog steeds in m’n hoofd. De man was een gedreven uitvinder en kluizenaar, maar ik was welkom in zijn lab-huisje. Hij testte mijn motortje en inderdaad, (zo sprak hij) opmerkelijk, heel opmerkelijk……. uche uche. Maar niet interessant voor de markt, veel te duur vertelde hij mij met een ietwat gelaten grijns……
In ieder geval, de REBCO supergeleider geeft mij wel hoop op een fusiecentrale, interessant artikel.