Met kernfusie zouden de grootste nadelen van kernenergie in een klap zijn opgelost: de brandstof is onbeperkt voorradig, er komt veel energie bij vrij en het levert nauwelijks kernafval op. Simpel gezegd: er gaat waterstof (in de vorm van deuterium en tritium) in en er komt ongevaarlijk helium uit. Schone kernenergie ligt daarmee binnen handbereik.

Na allerlei kleine projecten in allerlei landen steken de Europese Unie, Japan, Zuid-Korea, China, India, de Verenigde Staten en Rusland de koppen bij elkaar en besluiten in 2005 bij het Franse Cadarache de Internationale Thermonucleaire Experimentele Reactor (ITER) te bouwen met een vermogen van 500 megawatt – evenveel als ‘Borssele’. De kosten bedragen 5 miljard euro. Voor dat bedrag zou de wereld straks moeten weten of energievoorziening met kernfusie op aarde technisch mogelijk is.

Een kernfusiereactie moet zo plaatsvinden dat de plasmakolom van geïoniseerde waterstof de wanden van het reactorvat niet kan raken: bij een plasmatemperatuur van 15 miljoen graden Celsius –vergelijkbaar met het binnenste van een ster– verdampen alle bekende materialen. Daarom is gekozen voor een donutvormig reactievat, de zogeheten tokamak, waarin het plasma rondcirkelt. Reusachtige spoelen van supergeleidende kabels houden het superhete rondslingerende plasma zwevend in een magnetisch veld, waardoor het de wanden niet raakt.

Bros

Het ITER-project is een van de meest complexe systemen ooit gebouwd. Geen wonder dat het mega-experiment keer op keer te maken krijgt met vertragingen; en de 34 deelnemende landen zien zich geplaatst voor forse kostenoverschrijdingen. Was de oplevering aanvankelijk gepland in 2015; allerlei problemen hebben deze inmiddels uitgesteld tot 2019. In 2027 zouden de eerste fusiereacties van start moeten gaan.

Een publicatie in het gerenommeerde tijdschrift Nature gooide vorig jaar opnieuw roet in het eten: de 13 miljard euro kostende kernfusiereactor ITER zou niet in staat zijn om de geplande 40.000 tot 60.000 reactiecycli te doorstaan.

„Het probleem zat hem bij de supergeleidende kabels voor de magneetspoelen in het centrum van de donut”, vertelt Arend Nijhuis, specialist supergeleiding van Universiteit Twente (UT). „Deze zijn nodig om het plasma te verwarmen tot 15 miljoen graden Celsius. Het succes van de ITER staat of valt met de kwaliteit van de supergeleidende kabels.”

De polsdikke kabels zijn opgebouwd uit draadjes van zeer dunne vezeltjes van het metaal niobium, omgeven met tin met daaromheen een koperen schil. Deze draadjes worden per drie vervlochten tot een kabeltje, waarvan er vervolgens drie worden vervlochten tot een nog dikker exemplaar. Daaromheen komt een stalen behuizing. Een warmtebehandeling maakt deze geschikt voor supergeleiding; maar de daarbij ontstane niobium-tinverbinding is nogal bros.

Fors probleem

Tijdens tests bleken de kabels veel te snel te slijten. „Dat kwam door de manier van vervlechten”, weet Nijhuis. Door het vervlechtingspatroon raken draden in de kabel elkaar op regelmatige afstanden.

De stroomsterkte in de kabels wordt talloze malen op en neer geregeld van 0 naar 45.000 ampère – ruim duizend keer meer dan een gewone zekering in de meterkast aankan. Samen met gigantisch hoge magneetvelden levert dat een enorme mechanische belasting op voor de kabel.

„De brosse draden kunnen daardoor breken op de plaatsen waar ze elkaar raken. Intussen gaat door de sterk wisselende magneetvelden via de contactpunten een stroompje lopen, waardoor de kabel ook nog eens te veel opwarmt”, legt de UT-technicus uit.

ITER heeft overigens flinke pech gehad. Er was gekozen voor de slechtst mogelijke vervlechtingsmogelijkheid. De kabel ging ternauwernood 6000 cycli mee. „Als je bedenkt dat het supergeleidende magneetsysteem een derde van de totale kosten van de fusiereactor uitmaakt, kun je gerust spreken van een fors probleem.”

Verschil van inzicht maakte het vinden van de juiste oplossing lastig. „Ik vergelijk het probleem wel eens met een bak eieren. ITER zegt: Na een poosje schudden is 20 procent kapot; wij willen betere eieren. Ik zeg: De eieren zijn goed, maak liever een betere verpakking.”

Optimistisch

Nijhuis’ onderzoeksgroep binnen de vakgroep Energie, Materialen en Systemen van de UT had al drie jaar allerlei kabelconfiguraties getest en op basis daarvan computermodellen opgesteld. Daarmee konden ze de ideale supergeleidende kabel samenstellen.

„Wij hebben ontdekt dat de 864 draadjes waaruit de polsdikke supergeleidende kabel bestaat, op een compleet andere manier moeten worden vervlochten. Daarmee breken de brosse draadjes volgens onze berekeningen nu zelfs helemaal niet meer en kunnen ze met gemak meer dan 60.000 cycli mee.”

In juli 2011 organiseerde ITER in Zwitserland een bijeenkomst om het kabelprobleem te bespreken. „Er waren geleerden bij uit de hele wereld. Maar wat nog opvallender was: de voltallige directie van ITER was aanwezig. Dat maakte gelijk het belang van de bijeenkomst duidelijk”, vertelt Nijhuis. „Na mijn presentatie vroeg de directeur hoe zeker ik van mijn oplossing was. Ik heb onomwonden gezegd dat ik er 100 procent zeker van ben. En ik kon het met cijfers onderbouwen.”

Nijhuis kreeg ten slotte toestemming om zijn kabels te laten testen. Het proefexemplaar zou worden gemaakt in Italië. „Daar wilde ik bij zijn. De theorie klopte, maar waren de kabels ook praktisch maakbaar? Dat bleek het geval.”

Ten slotte de hamvraag: Voldoen de kabels aan de hooggespannen verwachtingen? Een test van ruim 1 miljoen euro gaf in oktober uitsluitsel. Nijhuis: „Ze zijn geslaagd, met vlag en wimpel. ITER heeft vorige maand de keuze gemaakt voor een van onze twee ontwerpen, omdat die tijdens zware mechanische belastingen niet degradeerden. Bovendien weten we nu precies hoe we problemen met supergeleidende kabels kunnen oplossen.”

Dit is het eerste artikel in een tweeluik over de kernfusiecentrale ITER. Donderdag deel 2.

Superkoud

In gewoon koperdraad geldt: Hoe groter de stroomsterkte, hoe groter de weerstand; de draad wordt warmer, waardoor de weerstand nog verder toeneemt. Dat leidt tot een flink verlies aan energie. Zou er in een kernfusiereactor gewerkt worden met koperdraad, dan moet bijna alle opgewekte energie gebruikt worden om het koperdraad te koelen en is het rendement nul.

Supergeleidende draden hebben een heel bijzondere eigenschap. Ze worden met vloeibaar helium gekoeld tot 4,5 Kelvin (-268,7 graden Celsius). Bij die temperatuur treedt er tot een bepaalde stroomsterkte geen energieverlies op.

Dankzij supergeleiding gebruikt ITER in theorie slechts 10 procent van de opgewekte energie zelf, onder meer om helium te koelen.