Sferische tokamak: de compacte vorm van kernfusie
Een sferische tokamak is een variant van de tokamak, het meest gebruikte type fusiereactor ter wereld. Waar een gewone tokamak de vorm heeft van een donut met een dun buisje eromheen, lijkt een sferische tokamak meer op een uitgeholde appel: het gat in het midden is veel kleiner in verhouding tot de rest van het apparaat. Dat verschil in vorm klinkt als een detail, maar heeft grote gevolgen voor hoe efficiënt het apparaat plasma — de gloeiend hete, geladen materie waarin kernfusie plaatsvindt — kan vasthouden met magneetvelden.
Het idee achter de sferische tokamak is dat een compactere vorm het magneetveld beter benut, waardoor je in theorie met minder en goedkopere magneten toch een heet en dicht genoeg plasma kunt maken om fusie-energie op te wekken. Verschillende onderzoeksinstituten en een groeiend aantal private bedrijven zien de sferische tokamak daarom als een mogelijk snellere en goedkopere route naar bruikbare fusie-energie dan de klassieke, grote tokamaks zoals het internationale ITER-project in Frankrijk.
Wat is het precies?
Bij kernfusie smelten lichte atoomkernen — meestal de waterstofisotopen deuterium en tritium — samen tot een zwaardere kern, waarbij energie vrijkomt. Dat proces vindt van nature plaats in de zon, maar op aarde zijn extreme temperaturen nodig (tientallen tot honderden miljoenen graden Celsius) om het op gang te brengen. Bij die temperaturen is materie geen vaste stof, vloeistof of gas meer, maar plasma: een wolk van losse, elektrisch geladen deeltjes.
Omdat geen enkele wand die temperaturen kan verdragen, gebruikt een tokamak sterke magneetvelden om het plasma in een torusvorm (donutvorm) op te sluiten, los van de wanden. De verhouding tussen de grote straal van die donut (de afstand van het middelpunt van het apparaat tot het midden van de plasmabuis) en de kleine straal (de dikte van de buis zelf) heet de aspectratio. Bij een klassieke tokamak is die verhouding ongeveer 3 op 1: een relatief dunne buis om een groot gat.
Een sferische tokamak heeft een veel lagere aspectratio, meestal tussen 1,2 en 2. Het gat in het midden wordt zo klein dat er eigenlijk alleen nog ruimte is voor de centrale magneetkolom. Het resultaat is een vrijwel bolvormig plasma in plaats van een dunne ring. Deze vorm maakt efficiënter gebruik van het magneetveld: onderzoekers drukken dit uit in de zogenoemde bèta-waarde, de verhouding tussen plasmadruk en magnetische druk. Een hogere bèta betekent dat je met dezelfde hoeveelheid magneetveld een heter en dichter plasma kunt vasthouden, wat gunstig is voor de netto energiebalans van het apparaat.
De keerzijde is dat er in het compacte middengat weinig ruimte overblijft voor de centrale magneetspoel en voor afscherming tegen straling. Dat maakt het technisch lastig om de spoel sterk genoeg en tegelijk duurzaam genoeg te maken, zeker in een toekomstige energiecentrale die decennialang moet meegaan.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van alle tokamak-onderzoek is hetzelfde: een fusiereactor bouwen die meer energie oplevert dan er nodig is om het plasma op te warmen en vast te houden, en die dat op een manier doet die economisch haalbaar is. Fusie-energie belooft in theorie een vrijwel onuitputtelijke energiebron te zijn, zonder uitstoot van broeikasgassen tijdens bedrijf en zonder het langlevende radioactieve afval van kernsplijting.
De sferische tokamak is ontstaan uit de wens om dat doel sneller en goedkoper te bereiken dan met de grote, klassieke tokamaks. Grote projecten zoals ITER zijn qua omvang en kosten enorm: ITER weegt duizenden tonnen en kost tientallen miljarden euro's. De hoop van onderzoekers achter de sferische tokamak is dat een compacter ontwerp — met een kleinere plasmaring maar een efficiënter magneetveldgebruik — tot een aanzienlijk kleinere en betaalbaardere reactor kan leiden, wat serieproductie en snellere iteratie mogelijk zou maken.
Deze belofte heeft de afgelopen vijftien jaar ook private investeerders aangetrokken, wat relatief nieuw is in een veld dat lange tijd vrijwel volledig door overheden werd gefinancierd. Het idee is dat kortere ontwikkelcycli van compacte machines sneller leren mogelijk maken dan de decennialange bouwtrajecten van gigaprojecten.
Voorbeelden uit de praktijk
START (Small Tight Aspect Ratio Tokamak), gebouwd bij het Culham Centre for Fusion Energy in het Verenigd Koninkrijk en operationeel van 1991 tot 1998, was het eerste apparaat dat het concept van de sferische tokamak experimenteel bewees. Onder leiding van natuurkundige Alan Sykes liet START zien dat de compacte vorm inderdaad tot een hogere bèta-waarde leidde dan klassieke tokamaks.
MAST (Mega Amp Spherical Tokamak), de opvolger van START in Culham, draaide van 1999 tot 2013. De huidige versie, MAST-Upgrade, is sinds 2020 operationeel en test onder meer een nieuw type warmteafvoersysteem, de zogeheten Super-X-divertor, die moet helpen de intense hitte af te voeren die op de wanden van een compact plasma terechtkomt.
NSTX (National Spherical Torus Experiment) bij het Princeton Plasma Physics Laboratory in de Verenigde Staten is sinds 1999 in bedrijf en werd later opgewaardeerd tot NSTX-U. Het apparaat kampte met technische problemen aan de centrale magneetspoel die tot langdurige stilstand hebben geleid; herstel en hernieuwd onderzoek verlopen gefaseerd.
Tokamak Energy, een privaat Brits bedrijf opgericht in 2009 als spin-out van het Culham-onderzoek, bouwt de ST40-machine. Het bedrijf gebruikt hoge-temperatuur-supergeleidende (HTS) magneten, een technologie die sterkere magneetvelden mogelijk maakt in een kleinere ruimte. In 2022 maakte het bedrijf bekend een plasmatemperatuur van ruim 100 miljoen graden Celsius te hebben bereikt met ST40.
Het Britse overheidsprogramma STEP (Spherical Tokamak for Energy Production), geleid door de UK Atomic Energy Authority (UKAEA), moet uiteindelijk een prototype fusie-energiecentrale opleveren op basis van de sferische tokamak. In 2022 werd West Burton in Nottinghamshire, de locatie van een voormalige kolencentrale, aangewezen als bouwplaats. Het programma richt zich op een demonstratie in de jaren 2040, al zijn dit soort tijdlijnen in de fusiesector historisch gezien vaak naar achteren geschoven.
Hoe ver is de techniek?
Sferische tokamaks bevinden zich nog in de onderzoeks- en demonstratiefase. Geen enkel fusieapparaat ter wereld — sferisch of klassiek — heeft tot nu toe op continue basis meer energie geproduceerd dan er in het geheel van het systeem (inclusief verwarming, koeling en besturing) wordt gestoken. Experimenten zoals die bij het Amerikaanse National Ignition Facility hebben wel korte energiewinst laten zien, maar dat gebeurt met een heel ander principe (traagheidsopsluiting met lasers) en niet met een tokamak.
Voor sferische tokamaks specifiek is de belangrijkste vooruitgang de laatste jaren te vinden in het aantonen van hoge bèta-waarden en in de ontwikkeling van HTS-magneten, die het mogelijk maken sterkere velden te bereiken zonder de gigantische afmetingen van klassieke supergeleidende spoelen. Tegelijk blijven een aantal technische knelpunten onopgelost: de warmteafvoer via de divertor bij zo'n compact plasma, de levensduur van materialen die aan intense neutronenstraling worden blootgesteld, en de haalbaarheid van onderhoud aan een centrale magneetkolom die nauwelijks toegankelijk is.
Realistisch gezien wordt algemeen aangenomen dat het nog minstens tot de jaren 2030 en 2040 duurt voordat er een sferische tokamak draait die daadwerkelijk netto elektriciteit aan het net levert, en die tijdlijnen zijn in de fusiesector in het verleden herhaaldelijk opgeschoven. Onzeker blijft ook of de compacte aanpak per saldo daadwerkelijk goedkoper uitpakt dan grotere ontwerpen, aangezien de technische complexiteit van de centrale kolom en de warmteafvoer nieuwe kostenposten met zich meebrengt.
Wie werken eraan?
Het Verenigd Koninkrijk speelt een centrale rol in de ontwikkeling van de sferische tokamak, met het Culham Centre for Fusion Energy (onderdeel van UKAEA) als bakermat van het concept via START en MAST, en met het overheidsprogramma STEP als beoogde vervolgstap richting een energiecentrale. Daarnaast is Tokamak Energy een van de bekendste private spelers wereldwijd op dit specifieke gebied.
In de Verenigde Staten onderzoekt het Princeton Plasma Physics Laboratory (onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie, in samenwerking met Princeton University) de sferische tokamak via NSTX-U. Ook andere landen hebben eigen experimenten: Rusland heeft met Globus-M2 bij het Ioffe Institute in Sint-Petersburg een actief sferisch tokamak-programma, en verschillende Aziatische onderzoeksinstituten, waaronder in China en Zuid-Korea, bouwen aan vergelijkbare compacte fusieapparaten als onderdeel van bredere nationale fusieprogramma's.
Internationaal wordt fusieonderzoek in bredere zin gecoördineerd via organisaties als het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA), dat regelmatig overzichten publiceert van de status van fusietechnologie wereldwijd, inclusief de sferische variant.