Mijlpaal voor Duitse kernfusiereactor: productie van het eerste plasma

16 december 2015 – Het Max Planck Instituut voor Plasma Physics in Greifswald heeft vorige week de Wendelstein 7-X opgestart. De kernfusiereactor maakte zijn eerste plasma, dat een tiende van een seconde bestond en ongeveer een miljoen graden heet werd. 

Na negen jaar bouwen en meer dan een jaar uitgebreid testen en voorbereiden, is op 10 december de Wendelstein 7-X kernfusiereactor opgestart. Met 1 milligram helium gas werd een plasma – zeer heet gas met geladen deeltjes – gecreëerd dat een tiende van een seconde bestond en ongeveer een miljoen graden heet was. De onderzoekers waren heel tevreden.

Uit het persbericht van het Max Planck Instituut voor Plasma Physics
‘(…) “We’re starting with a plasma produced from the noble gas helium. We’re not changing over to the actual investigation object, a hydrogen plasma, until next year,” explains project leader Professor Thomas Klinger: “This is because it’s easier to achieve the plasma state with helium. In addition, we can clean the surface of the plasma vessel with helium plasmas.” (…)

Uit een bericht van de Ingenieur
‘(…) Het is de bedoeling dat er na de jaarwisseling verdere experimenten met het helium volgen, waarbij het vooral gaat om een langere levensduur van het plasma en het beter beheersen van het verhitten van het heliumgas met microgolven. Dit alles ter voorbereiding van een experiment met waterstof, de grondstof waarmee uiteindelijk een kernfusiereactie tot stand moet komen. (…)’

Uiteindelijk is het de bedoeling het plasma dertig minuten in stand te houden, om zo te bewijzen dat de techniek geschikt is voor het op grote schaal opwekken van energie.

Over kernfusie
Kernfusie is in theorie een schone bron voor heel veel energie: er komt geen CO2 vrij. Anders dan bij kernsplijting, zoals in de huidige kerncentrales gebeurt, is er geen sprake van een kettingreactie die moeilijk te stoppen is en er blijft geen (of veel minder en makkelijker te bewerken) radioactief afval over.

Tot nu toe is het alleen nog niet gelukt per saldo energie te produceren met kernfusie. De Joint European Torus (JET) in Groot-Brittannië is wereldrecordhouder kernfusie-energie opwekken: 16 megawatt. Maar er was wel 25 megawatt nodig om het plasma te verhitten. Onderzoekers over de hele wereld werken aan verschillende projecten met uiteenlopende technieken om een goede kernfusiereactor te ontwerpen.

Bij kernfusie wordt het principe van de zon nagebootst: door de kernen van lichte atomen, bijvoorbeeld waterstof, te laten samensmelten, ontstaat een enorme hoeveelheid energie.

Uit een bericht van onderzoeksinstituut DIFFER
‘(…) Het fusieproces vindt plaats bij de extreem hoge temperatuur van 150 miljoen graden. Bij zulke hoge temperaturen vormt materie een plasma, een heet gas van geladen deeltjes (positief geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen). Een plasma wordt dankzij die geladen deeltjes vastgehouden in een ringvormige reactor met behulp van krachtige magneetvelden. De energie die vrijkomt als de atoomkernen fuseren wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken of om bijvoorbeeld waterstof te maken. (…)’

Over de ingewikkelde vorm van de Duitse reactor
Het lastige bij kernfusie is de extreem hoge temperatuur (miljoenen graden), waartegen geen materiaal is opgewassen. Een magnetisch veld zorgt ervoor dat het hete plasma de wanden van de reactor niet raakt. In de meeste kernfusieprojecten gebeurt dat in een donutvormig reactorvat, een zogenoemde tokamak-constructie. Ook ITER – een enorm internationaal kernfusieproject waar onder meer het Nederlandse onderzoeksinstituut DIFFER, de Nuclear Research & Consultancy Group (NRG) te Petten en de Technische Universiteit Eindhoven aan meewerken – wordt gebouwd in die donutvorm.

De Duitse reactor is een bijzondere, door de vorm met een dubbel gekromd reactorvat, een stellarator. Voor de extreem ingewikkelde constructie werkt het Max Planck Instituut al dik tien jaar samen met verschillende bedrijven.

Uit een zeer toegankelijk artikel van de Ingenieur over de reactor
‘(…) 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. (…)’

Bronnen
Max Planck Institute for Plasma Physics, 10 december 2015: The first plasma: the Wendelstein 7-X fusion device is now in operation
De Ingenieur, 10 december 2015: Mijlpaal voor Duitse fusiereactor
De Ingenieur, 9 december 2015: Dubbel getordeerd reactorvat houdt plasma stabiel
DIFFER over kernfusie en ITER

Foto’s constructie: De installatie van de kernfusiereactor in Greifswald is, door de bijzondere vorm, een zeer complexe klus. (Gantner Instruments)
Foto plasma: Max Planck Institute for Plasma Physics