Divertor: de vuilnisman van een fusiereactor
Een divertor is het onderdeel van een kernfusiereactor dat de hitte en het "afval" van het fusieproces afvoert, zodat de rest van de reactor niet smelt. In een fusiereactor wordt waterstofgas verhit tot honderden miljoenen graden, ver boven de temperatuur in de kern van de zon. Bij die temperatuur botsen waterstofkernen zo hard tegen elkaar dat ze versmelten tot helium, waarbij energie vrijkomt. Maar zo'n hete gaswolk, plasma genoemd, kan geen enkele wand aan zonder die meteen te vernietigen. De divertor is het slimme afvoersysteem dat de hitte en verontreinigingen gecontroleerd naar één plek leidt, ver van de gevoelige onderdelen.
Vergelijk het met een open haard met een schoorsteen. Zonder schoorsteen zou de rook en hitte gewoon door de kamer trekken en alles beroeten of verschroeien. De schoorsteen vangt de rook op één specifieke plek en voert die gecontroleerd af. De divertor doet iets vergelijkbaars met het gloeiend hete plasma: hij vangt de buitenste, "vervuilde" laag ervan op en leidt die naar speciale, extreem hittebestendige platen, terwijl de kern van het plasma - waar de fusiereactie plaatsvindt - schoon en op temperatuur blijft.
Wat is het precies?
Fusiereactoren zoals de tokamak en de stellarator houden hun plasma op afstand van de wanden met sterke magneetvelden. Het plasma bestaat uit geladen deeltjes, en geladen deeltjes volgen magnetische veldlijnen zoals kralen op een draad. Door die veldlijnen in een gesloten, donutvormige lus te buigen, blijft het plasma zwevend in het midden van het vat, zonder de wand te raken.
Een divertor werkt door extra magneetspoelen toe te voegen die de buitenste veldlijnen bewust "omleiden" (vandaar de naam: to divert is Engels voor omleiden). In plaats van gesloten lussen te blijven vormen, worden deze buitenste lijnen naar een aparte kamer onderin (of soms bovenin) het reactorvat gestuurd. Dat gebied heet de scrape-off layer, letterlijk de "afgeschraapte laag": de dunne buitenrand van het plasma die willens en wetens wordt weggeleid.
In die aparte divertorkamer botsen de geleide deeltjes op speciale platen, de zogeheten targets of strike plates. Hier komt drie dingen tegelijk vrij: de warmte die het plasma nog bevat, het heliumgas dat als bijproduct van de fusiereactie ontstaat (ook wel "as" genoemd) en eventuele verontreinigingen die van de wanden zijn losgekomen. Zonder afvoer zou dat helium zich ophopen in het plasma en de fusiereactie langzaam verstikken, zoals as die een vuur dooft.
De warmtebelasting op die targetplaten is enorm: in bestaande experimenten kan die oplopen tot zo'n 10 megawatt per vierkante meter, met kortstondige pieken die nog veel hoger liggen. Ter vergelijking: het hitteschild van een ruimtevaartuig dat terugkeert in de dampkring krijgt doorgaans ongeveer 1 megawatt per vierkante meter te verduren. De divertor moet dus voortdurend, in plaats van een paar minuten, warmtestromen aan die orde van grootte of hoger doorstaan. Daarom wordt hij gebouwd uit wolfraam, het metaal met het hoogste smeltpunt van alle metalen (ongeveer 3.400 graden Celsius), en intensief gekoeld met waterkanalen vlak achter de platen.
Om de belasting nog verder te beperken, gebruiken onderzoekers een techniek die "detachment" heet. Daarbij spuiten ze bewust kleine hoeveelheden gas zoals stikstof, neon of argon in de buurt van de divertor. Dat gas straalt energie uit voordat het plasma de plaat daadwerkelijk raakt, waardoor de temperatuur ter plekke flink daalt - vergelijkbaar met hoe waternevel de hitte van een brand kan temperen voordat die het doel bereikt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van fusieonderzoek is een energiecentrale die, net als de zon, energie wint uit het samensmelten van lichte atoomkernen, zonder de langlevende radioactieve afval van huidige kerncentrales en zonder CO2-uitstoot. Maar zo'n centrale kan alleen jarenlang betrouwbaar draaien als de warmte en het reactieafval continu en gecontroleerd worden afgevoerd. Zonder een goed werkende divertor zou elke poging tot een langdurige fusiereactie eindigen met beschadigde wanden of een plasma dat door opeenhoping van vuil dooft.
De divertor beschermt dus niet alleen materiaal, maar is ook een voorwaarde om ooit meer energie uit fusie te halen dan erin gestopt wordt, en dat vervolgens vol te houden over lange tijd. Voor onderzoekers is de divertor daarmee een van de grootste technische knelpunten op weg naar een werkende fusiecentrale: het is relatief eenvoudig om een plasma heel even heet te maken, maar veel lastiger om dat urenlang te doen zonder dat het omringende materiaal het begeeft.
Voorbeelden uit de praktijk
JET (Joint European Torus), Verenigd Koninkrijk. Deze tokamak, decennialang de grootste ter wereld, kreeg begin jaren 2010 een "ITER-like wall": een berylliumwand met een wolfraam divertor, om vast te testen hoe deze materiaalcombinatie zich houdt onder fusieomstandigheden. Met die opstelling zette JET in december 2021 een record neer voor de hoeveelheid fusie-energie uit een enkele plasmapuls, en verbeterde dat record nogmaals tijdens zijn allerlaatste experimentencampagne eind 2023. Daarna is JET buiten gebruik gesteld; de reactor wordt nu deels gebruikt om ervaring op te doen met het ontmantelen van fusietoestellen.
ASDEX Upgrade, Duitsland. Bij dit toestel van het Max Planck Institut für Plasmaphysik in Garching werd de binnenwand geleidelijk vervangen door wolfraam. ASDEX Upgrade geldt als een van de belangrijkste testbedden voor divertor-detachment: hier is veel van de basiskennis over gasinjectie en warmtereductie ontwikkeld die nu ook voor ITER wordt gebruikt.
Wendelstein 7-X, Duitsland. Deze stellarator in Greifswald, operationeel sinds eind 2015, gebruikt een "eiland-divertor": een concept waarbij de complexe, gedraaide vorm van het magneetveld van een stellarator wordt benut om vanzelf eilandvormige gebieden te creëren die het plasma naar de divertor leiden. Rond 2022-2023 kreeg het toestel een geheel nieuwe, actief waterkoelde divertor, waarmee in 2023 een plasmapuls van ruim acht minuten werd volgehouden, een record voor dit type reactor.
MAST-Upgrade, Verenigd Koninkrijk. Bij dit compacte toestel van UKAEA in Culham wordt sinds de herstart in 2020 het "Super-X divertor" concept getest: door de afvoerbaan voor het plasma sterk te verlengen, wordt de warmte over een groter oppervlak verspreid. Metingen lieten een aanzienlijke daling van de piekbelasting op de platen zien vergeleken met een conventionele divertor.
ITER, Frankrijk. De internationale testreactor in Cadarache krijgt een wolfraam divertor die is opgebouwd uit duizenden losse, precies gepositioneerde "monoblokken" met interne waterkoeling, geleverd door verschillende internationale partners. Dit is verreweg het grootste en zwaarst belaste divertorontwerp tot nu toe, gemaakt om de veelvoud aan warmte van een echte fusiereactie te verdragen.
Hoe ver is de techniek?
Divertoren worden al decennia gebruikt in experimentele fusiereactoren en werken daar aantoonbaar: ze maken het mogelijk om plasma's van tientallen tot honderden miljoenen graden te bedwingen zonder de reactorwand te vernielen. In die zin is de basistechniek volwassen. Het probleem zit in de opschaling: huidige toestellen draaien met pulsen van seconden tot hooguit enkele minuten. Een toekomstige energiecentrale moet dagen tot jaren onafgebroken kunnen draaien, en dan moet de divertor warmtebelastingen doorstaan die veel hoger liggen dan wat wolfraam-monoblokken met waterkoeling naar verwachting op de lange termijn aankunnen zonder te eroderen of te barsten.
ITER's divertor is ontworpen om deze grens te verkennen, maar ITER zelf produceert nog geen netto energie; het is een testreactor. De bouw van ITER loopt al jaren vertraging op, en de planning voor "eerste plasma" is de afgelopen jaren meermaals herzien; recente aankondigingen van de ITER-organisatie schuiven belangrijke mijlpalen door naar de jaren dertig van deze eeuw. Wie een exacte datum zoekt, doet er goed aan de actuele status op de officiële ITER-website te checken, aangezien dit soort schema's regelmatig wordt aangepast.
Voor de generatie reactoren ná ITER, vaak aangeduid als DEMO-reactoren, wordt nog volop gezocht naar alternatieven. Een veelbelovende maar nog experimentele richting is de vloeibare-metaaldivertor: in plaats van een vaste wolfraamplaat gebruikt men een dunne, stromende laag vloeibaar metaal (bijvoorbeeld lithium of tin) die zichzelf voortdurend ververst en dus nooit echt "opbrandt". Dit wordt onder meer onderzocht in kleinschalige laboratoriumopstellingen in de Verenigde Staten en China, maar staat nog ver af van toepassing in een grote reactor. Kortom: de divertor werkt, maar of hij ook decennialang stand zal houden in een echte energiecentrale, is nog een open vraag.
Wie werken eraan?
Het internationale ITER-project (met deelname van de Europese Unie, het Verenigd Koninkrijk, de Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India) bouwt momenteel de grootste divertor ter wereld in Cadarache, Frankrijk. In Europa coördineert het consortium EUROfusion veel van het onderliggend onderzoek, met belangrijke experimenten bij het Max Planck Institut für Plasmaphysik in Duitsland (ASDEX Upgrade en Wendelstein 7-X) en bij UKAEA in het Verenigd Koninkrijk (voorheen JET, nu MAST-Upgrade). In de Verenigde Staten doet General Atomics divertoronderzoek op de DIII-D-tokamak in San Diego, met steun van het Department of Energy, en werken laboratoria als Princeton Plasma Physics Laboratory aan vloeibare-metaalconcepten. China test eigen divertorontwerpen op de EAST-tokamak, als opstap naar een eigen grootschalig fusieproject. Ook een groeiend aantal private fusiebedrijven, zoals Commonwealth Fusion Systems in de VS en Tokamak Energy in het Verenigd Koninkrijk, ontwikkelt eigen divertorconcepten voor compactere reactoren.