Plasma-opsluiting: hoe je een miniatuurzon in bedwang houdt
Diep in de kern van de zon versmelten waterstofkernen tot helium en komt daarbij enorme hoeveelheden energie vrij. Wetenschappers proberen dat proces, kernfusie, al decennia na te bootsen op aarde. Het probleem is niet zozeer de fusiereactie zelf, maar het feit dat daarvoor een gas nodig is dat honderden miljoenen graden heet is. Geen enkel materiaal overleeft direct contact met zo'n gloeiende massa. Plasma-opsluiting is de verzamelnaam voor de technieken waarmee onderzoekers dat superhete gas, plasma genoemd, op zijn plek houden zonder dat het de wanden van de reactor raakt.
Een handige vergelijking: stel je voor dat je een vlam wilt laten branden zonder dat die ooit een lucifer, een pit of enig ander materiaal aanraakt. Dat klinkt onmogelijk, maar met sterke magneetvelden lukt het onderzoekers om geladen deeltjes — die vormen het plasma — als het ware zwevend in een magnetische kooi te houden. Het plasma raakt de wand niet, maar wordt vastgehouden door onzichtbare magnetische krachten. Dat is de kern van magnetische plasma-opsluiting, de meest onderzochte route naar werkende fusie-energie.
Wat is het precies?
Plasma is de vierde aggregatietoestand, naast vast, vloeibaar en gasvormig. Als je een gas heet genoeg maakt, vallen de atomen uiteen in losse, elektrisch geladen deeltjes: elektronen en atoomkernen (ionen). Omdat die deeltjes een lading hebben, reageren ze op magneetvelden. Dat is precies waar plasma-opsluiting gebruik van maakt.
De meest gebruikte reactorvorm is de tokamak, een donutvormige (torus) vacuümkamer omringd door zware magneetspoelen. De spoelen wekken een magneetveld op dat als een soort onzichtbare buis door de torus loopt. Geladen deeltjes volgen spiraalvormige banen langs de magnetische veldlijnen en blijven zo binnen die buis, los van de metalen wand.
Een tokamak heeft naast de externe spoelen ook een elektrische stroom nodig die dwars door het plasma zelf loopt, om het magneetveld de juiste vorm te geven. Dat maakt het ontwerp relatief eenvoudig, maar ook kwetsbaar: valt die plasmastroom plotseling weg, dan kan dat schade veroorzaken aan de reactorwand.
Een alternatief is de stellarator. Die gebruikt uitsluitend complex gevormde, vaak spiraalvormig gewrongen externe spoelen om hetzelfde opsluitende magneetveld te creëren, zonder stroom door het plasma. Dat maakt een stellarator inherent stabieler, maar het ontwerp en de bouw van de gebogen spoelen zijn technisch veel ingewikkelder en duurder.
Er bestaat ook een heel andere aanpak: inertiële opsluiting. Daarbij wordt geen magneetveld gebruikt, maar worden krachtige lasers gericht op een piepklein bolletje brandstof. De buitenkant van het bolletje verdampt explosief, waardoor de kern samengeperst en verhit wordt tot fusieomstandigheden ontstaan — voor een fractie van een seconde. Dit is de techniek die wordt gebruikt in de Amerikaanse National Ignition Facility.
Bij elke methode geldt hetzelfde natuurkundige criterium, genoemd naar de Britse natuurkundige John Lawson: er moet een combinatie zijn van voldoende hoge temperatuur, voldoende hoge dichtheid van het plasma én een lang genoeg opsluitingstijd, wil de energie die vrijkomt uit fusie opwegen tegen de energie die nodig was om het plasma te verhitten en op te sluiten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een elektriciteitscentrale die energie wint uit kernfusie in plaats van kernsplijting (het splitsen van zware atomen, zoals in huidige kerncentrales) of fossiele brandstoffen. Fusie belooft een aantal grote voordelen.
De brandstof, meestal een mengsel van de waterstofisotopen deuterium en tritium, is in potentie overvloedig beschikbaar: deuterium is te winnen uit zeewater en tritium kan in de reactor zelf worden aangemaakt uit lithium. Fusie produceert geen broeikasgassen tijdens de energieopwekking en, anders dan bij kernsplijting, ontstaat er geen langlevend hoogradioactief afval. Een ernstig ongeval waarbij de reactor op hol slaat, is bovendien vrijwel uitgesloten: zodra de opsluiting wegvalt, koelt het plasma binnen fracties van een seconde af en stopt de reactie vanzelf.
De maat voor succes is de zogeheten Q-waarde: de verhouding tussen de energie die de fusiereactie oplevert en de energie die is gestoken in het verhitten en opsluiten van het plasma. Bij Q=1 is er evenveel energie uit als in gestopt (het zogeheten break-even punt); voor een commercieel haalbare centrale moet Q ruim boven de 1 liggen, omdat ook energieverliezen in de rest van de installatie meetellen.
Voorbeelden uit de praktijk
JET (Joint European Torus), in Culham (Verenigd Koninkrijk), was decennialang 's werelds grootste operationele tokamak. In december 2021 zette JET een record: 59 megajoule fusie-energie in een plasmapuls van vijf seconden, het hoogste ooit gehaalde vermogen uit een magnetisch opgesloten plasma op dat moment. Na ruim veertig jaar dienst is JET eind 2023 buiten gebruik gesteld en begon de ontmanteling.
ITER, in aanbouw in Cadarache (Frankrijk), is het grootste fusieproject ter wereld en een samenwerking tussen de EU, de VS, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India. ITER moet aantonen dat een tokamak op grote schaal veel meer energie kan opwekken dan erin gestoken wordt (het streefgetal is Q=10). Het project kampt al jaren met vertragingen door de technische complexiteit en, recenter, door coronavertragingen en gevonden lasfouten in reactoronderdelen; de meest recente publieke planning van de ITER-organisatie mikt op eerste plasma rond het midden van de jaren 2030, met volledige deuterium-tritiumfusie nog jaren later. Gezien de voorgeschiedenis van het project is verdere verschuiving niet uitgesloten.
Wendelstein 7-X, bij Greifswald (Duitsland) en gebouwd door het Max Planck Instituut voor Plasmafysica, is de grootste stellarator ter wereld en draait sinds 2015. Het experiment onderzoekt vooral of het inherent stabielere stellaratorontwerp op termijn een reëel alternatief kan zijn voor de tokamak; in de afgelopen jaren zijn steeds langere, hoogenergetische plasma-ontladingen gerealiseerd.
National Ignition Facility (NIF) in Californië (VS) haalde in december 2022 wereldwijd nieuws door met inertiële (laser)opsluiting voor het eerst een fusiereactie te realiseren die netto meer energie opleverde dan de laserenergie die direct op de brandstofcapsule werd afgevuurd — een mijlpaal die vaak 'ignition' wordt genoemd. Belangrijk om te vermelden: dit betrof alleen de energie die op de capsule zelf viel, niet de totale elektriciteit die nodig was om de lasers aan te drijven; over de gehele installatie gerekend kostte het experiment nog altijd veel meer energie dan het opleverde.
KSTAR (Zuid-Korea) en EAST (China) zijn supergeleidende tokamaks die zich vooral onderscheiden op het gebied van plasmaduur. KSTAR hield in 2021 een plasma van 100 miljoen graden Celsius dertig seconden lang vast, en verbeterde dat in de jaren erna verder. EAST zette in 2023 een record met een plasma dat ruim 400 seconden op hoge temperatuur bleef — belangrijk omdat een toekomstige centrale niet slechts seconden, maar continu moet kunnen draaien.
Hoe ver is de techniek?
Plasma-opsluiting werkt aantoonbaar: onderzoekers kunnen al decennia plasma's van tientallen tot honderden miljoenen graden creëren en voor langere tijd vasthouden. Wat nog niet is aangetoond, is een reactor die op grote schaal, betrouwbaar en herhaaldelijk substantieel méér energie levert dan er in totaal (dus inclusief alle hulpsystemen) in gaat, en dat vervolgens jarenlang volhoudt zonder onderdelen te vernielen.
De grootste technische obstakels zijn niet alleen het opsluiten van het plasma zelf, maar ook: materialen die de intense neutronenstraling van de fusiereactie jarenlang kunnen doorstaan, systemen om tritium binnen de installatie zelf te kweken uit lithium, en het afvoeren van de enorme hitte die op de reactorwand terechtkomt. Deze techniekonderdelen zijn nog niet op volledige schaal bewezen.
Naast de grote, publiek gefinancierde projecten zoals ITER is de afgelopen tien jaar een golf van privaat gefinancierde fusiebedrijven ontstaan, zoals Commonwealth Fusion Systems (VS) met het SPARC-project, dat gebruikmaakt van nieuwe, sterkere supergeleidende magneten om een compactere tokamak te bouwen. SPARC is in aanbouw en moet, volgens de planning van het bedrijf, in de tweede helft van de jaren 2020 een netto energiewinst (Q>1) aantonen; zoals bij vrijwel elk fusieproject is enige vertraging ten opzichte van dat soort streefdata gebruikelijk.
Kortom: de wetenschap achter plasma-opsluiting is solide en de voortgang is meetbaar, maar een commerciële fusiecentrale die stroom aan het net levert, wordt door de meeste onafhankelijke experts nog op zijn vroegst rond het midden van deze eeuw verwacht — en die inschatting is al decennialang met enige regelmaat naar achteren geschoven.
Wie werken eraan?
ITER is een samenwerkingsverband tussen de Europese Unie (via Euratom), de Verenigde Staten, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India, met de bouwlocatie in Frankrijk. Binnen Europa coördineert het consortium EUROfusion het fusieonderzoek, met deelnemende instituten in vrijwel elke EU-lidstaat.
Belangrijke onderzoeksinstituten zijn het Max Planck Instituut voor Plasmafysica (Duitsland, verantwoordelijk voor Wendelstein 7-X), het Culham Centre for Fusion Energy (Verenigd Koninkrijk, voorheen thuisbasis van JET), het Princeton Plasma Physics Laboratory (VS) en het Institute of Plasma Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen (verantwoordelijk voor EAST).
Op het gebied van laserfusie is de National Ignition Facility, onderdeel van het Amerikaanse Lawrence Livermore National Laboratory, toonaangevend. Daarnaast zijn er inmiddels tientallen private fusiebedrijven actief, waaronder Commonwealth Fusion Systems en TAE Technologies (VS), Tokamak Energy (VK) en General Fusion (Canada), die met eigen kapitaal en overheidssteun proberen sneller tot een werkend prototype te komen dan de traditionele, publiek gefinancierde programma's.