[Dit is het derde van enkele artikelen over kernfusie. Het eerste was hier.]

Hoewel het idee van de tokamak al ruim een halve eeuw oud is, blijkt het moeilijk een werkende fusiereactor te bouwen. Het onderzoek blijkt zeer kostenintensief en daarom is internationale samenwerking noodzakelijk. Er bestaan verschillende grote projecten om de mogelijkheden te onderzoeken. In Nederland is het DIFFER-laboratorium, op het landgoed Rijnhuizen, gebouwd om de belasting van de reactorwand door het fusieplasma te onderzoeken.

Daarnaast werken DIFFER-wetenschappers op laboratoria in München (AUG), Jülich (TEXTOR), Cadarache (ITER en Tore Supra), en JET bij Oxford. In laatstgenoemde instelling worden routinematig temperaturen gehaald van 200 tot 400 miljoen graden, en in 1991 werd hier voor het eerst een experiment gedaan waarbij kernfusie plaatsvond: 60% van de energie die was geïnvesteerd, werd ook terugverdiend.

Sinds deze doorbraak wordt in Zuid-Frankrijk ITER gebouwd, die rond 2020 voltooid moet zijn. Dit moet ’s werelds eerste werkende kernfusiecentrale worden: een installatie waarmee althans gedurende korte tijd energie kan worden opgewekt. Als dit lukt, kan een prototype worden gebouwd, DEMO, dat dan de weg naar commerciële exploitatie opent. Voorlopig is één van de uitdagingen het plasma stabiel te houden, en dat is het onderwerp dat DIFFER en de TU Eindhoven bestuderen in het Forschungszentrum in Jülich.

Eén van de problemen is het extreme temperatuurverschil. Om fusie tot stand te brengen zijn temperaturen nodig van honderd miljoen graden, terwijl de wanden van de tokamak “slechts” 500 graden zijn. Op enkele meters afstand is dus een heel groot verschil in temperatuur. Dit leidt tot turbulenties in het plasma, die zich nogal onvoorspelbaar gedragen.

Een wetenschapper zou nu denken: “dat is interessant, hoe kunnen we die turbulenties zo beschrijven dat ze voorspelbaar worden?” De vraag is echter pertinent of de mensheid de tijd wel heeft voor zoveel wetenschap. Is het niet beter als ingenieurs een manier vinden om turbulenties te bestrijden voordat ze gevaarlijk worden? Gelukkig wordt er gewerkt aan oplossingen en ik begrijp dat er instrumenten zijn, “gyrotrons”, waarmee turbulenties kunnen worden bestreden. Dit is iets wat ik nog niet goed heb begrepen, en waarover ik prof. Marco de Baar volgend weekend zal uithoren.

Het hoofdonderzoek van FZ Jülich en DIFFER betreft de zogeheten plasma-wand-wisselwerking. Het hitteschild van een ruimtevaartuig dat op aarde terugkeert, kan energieën aan van zo’n 7 megawatt per vierkante meter, en de bekleding van een tokamak is berekend op zo’n 10 MW/m². Naast deze normale belasting (in jargon: de “steady-state flux”), komen aan de rand van het plasma verstoringen voor die het plasma zo doen bewegen dat het toch de wanden van de tokamak raakt. Helaas gebeurt dat met energieën die we niet kunnen beteugelen. Bij zo’n “burst” kan wel 2000 MW/m² vrijkomen, en daartegen is dus niets bestand. Vandaar dat het opsporen en beëindigen van turbulenties zo belangrijk is.

ITER heeft momenteel een staf die voornamelijk bestaat uit wetenschappers. Ingenieurs zijn in de minderheid, terwijl de voortgang van het project, als ik het allemaal goed begrijp, vooral draait om het vinden van technische oplossingen. Een extra complicatie is nog dat het project drieëndertig landen samenbrengt, die samen ruim vijftien miljoen onderdelen vervaardigen. De grote uitdaging is nu het scheppen van een proces dat betrouwbaar is, dat een zo groot mogelijke beschikbaarheid garandeert, dat controleerbaar is en onderhoud mogelijk maakt. Zoals ik De Baar, die zelf wetenschapper is, al eens hoorde zeggen: het is tijd dat ingenieurs een grotere rol gaan krijgen. Ik zie uit naar mijn bezoek aan het Forschungszentrum in Jülich.