Stellarator: de gedraaide weg naar kernfusie-energie
Stel je een donut voor die niet symmetrisch rond is, maar op een ingewikkelde, gedraaide manier gekronkeld is, als een verwrongen deegkrans. Dat is ongeveer de vorm van een stellarator: een machine die met sterk gebogen magneten een wolk van extreem heet, geladen gas – plasma genoemd – in een gedraaide baan opsluit. Het doel is om dat plasma zo heet en dicht te maken dat waterstofkernen erin samensmelten tot helium, hetzelfde proces dat de zon en andere sterren van energie voorziet. Vandaar ook de naam: 'stellarator' verwijst naar 'stellar', sterrenkundig.
Een stellarator is een van de twee belangrijkste ontwerpen voor kernfusiereactoren op basis van magnetische opsluiting; de andere, bekendere variant is de tokamak. Waar een tokamak zijn plasma in een simpele ronde donutvorm houdt en daarvoor deels leunt op een elektrische stroom dóór het plasma zelf, doet de stellarator dat volledig met de vorm van de magneten eromheen. Dat maakt hem mechanisch ingewikkelder om te bouwen, maar in theorie stabieler en geschikter voor continu, ononderbroken gebruik. Er zijn wereldwijd maar een handvol grote stellarators gebouwd, en het is een technologie die de laatste tien jaar, mede dankzij betere computersimulaties, een opvallende comeback beleeft.
Wat is het precies?
Kernfusie draait om het samensmelten van lichte atoomkernen, meestal isotopen van waterstof, tot een zwaardere kern. Daarbij komt energie vrij. Om dat te laten gebeuren moet je waterstofgas zo heet maken dat het verandert in plasma: een toestand waarin elektronen loskomen van hun atoomkernen, zodat je een wolk van losse, geladen deeltjes overhoudt. Bij temperaturen van tientallen tot honderden miljoenen graden botsen de kernen hard genoeg tegen elkaar om, ondanks hun onderlinge elektrische afstoting, samen te smelten.
Geen enkel materiaal kan zo'n hete wolk fysiek aanraken zonder te verdampen. Daarom gebruikt men magnetische velden om het plasma zwevend in het vacuüm te houden, los van de wanden: dit heet magnetische opsluiting, of in het Engels 'confinement'. Geladen deeltjes volgen namelijk de kromming van magnetische veldlijnen, dus als je die veldlijnen op de juiste manier vormt, kun je het plasma als het ware in een onzichtbare kooi vangen.
Een simpel ringvormig magneetveld werkt echter niet: deeltjes zouden er langzaam uit driften. De oplossing is het veld te laten draaien, zodat elk deeltje tijdens zijn rondgang beurtelings aan de binnen- en buitenkant van de ring komt en de driftfouten elkaar gemiddeld opheffen. Een tokamak bereikt die draaiing door, naast de ringvormige magneten, een elektrische stroom door het plasma zelf te induceren, zoals in een transformator. Dat werkt goed, maar zo'n plasmastroom kan ook instabiel worden en abrupt wegvallen; dat heet een 'disruptie' en kan schadelijk zijn voor de machine.
Een stellarator omzeilt dit probleem door de draaiing niet met plasmastroom te maken, maar volledig met de vorm van de externe magneetspoelen zelf. Die spoelen zijn daarom niet plat en rond, maar drie-dimensionaal gebogen en getordeerd, met een vorm die met supercomputers wordt berekend om het plasma zo goed mogelijk vast te houden en verliezen – het zogeheten neoklassieke transport, waarbij deeltjes en warmte via botsingen langzaam naar de rand van het plasma lekken – te minimaliseren. Het resultaat is een machine zonder de noodzaak van een grote plasmastroom, en dus in principe zonder het disruptierisico van een tokamak. De prijs die je daarvoor betaalt, is een veel ingewikkelder, moeilijker te fabriceren magneetstructuur.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel van alle kernfusieonderzoek, ook bij stellarators, is een energiebron die grote hoeveelheden elektriciteit kan leveren zonder CO2-uitstoot tijdens bedrijf, met brandstof (waterstofisotopen zoals deuterium en, in gecombineerde reacties, tritium) die relatief overvloedig beschikbaar is. In tegenstelling tot kernsplijting, waarbij zware atomen zoals uranium worden gespleten, ontstaat bij fusie geen langlevend hoogradioactief afval; het geactiveerde materiaal dat wel ontstaat, is doorgaans na enkele tientallen tot honderd jaar weer veilig te hanteren, al blijft dit onderwerp van onderzoek. Bovendien kan een fusiereactor volgens de huidige inzichten geen meltdown krijgen: valt de magnetische opsluiting weg, dan koelt het plasma vrijwel direct af en stopt de reactie vanzelf.
Specifiek voor stellarators is de belofte van 'steady-state' bedrijf: omdat er geen grote plasmastroom nodig is die telkens opnieuw opgewekt moet worden, zou een stellaratorcentrale in theorie continu kunnen doordraaien in plaats van in korte pulsen te werken, en zou hij minder gevoelig zijn voor de plotselinge instabiliteiten die tokamaks parten kunnen spelen. Voor een toekomstige elektriciteitscentrale die dag en nacht stroom moet leveren, is dat een aantrekkelijke eigenschap.
Voorbeelden uit de praktijk
Wendelstein 7-X, bij het Max Planck Institute for Plasma Physics in Greifswald (Duitsland), is sinds 2015 in bedrijf en is momenteel de grootste en modernste stellarator ter wereld. Het is een zogeheten HELIAS-ontwerp (Helical Axis Advanced Stellarator), waarvan de vijftig gekromde supergeleidende hoofdspoelen – magneten die vrijwel zonder elektrisch verlies hoge stromen kunnen geleiden, mits ze extreem koud gehouden worden – met computeroptimalisatie zijn vormgegeven om plasmaverliezen te minimaliseren. De machine heeft de afgelopen jaren stap voor stap steeds langere en beter presterende plasma-ontladingen laten zien en geldt als het belangrijkste bewijs dat moderne, geoptimaliseerde stellarators serieus kunnen concurreren met tokamaks.
De Large Helical Device (LHD), beheerd door het National Institute for Fusion Science (NIFS) in Japan, is een ander groot voorbeeld en draait al sinds de late jaren negentig. Het is een iets ouder ontwerp, een zogeheten heliotron, en heeft decennialang waardevolle data opgeleverd over plasmagedrag in stellarators.
In Spanje onderzoekt het instituut CIEMAT met de kleinere machine TJ-II onder meer plasmaturbulentie en transportverschijnselen, als aanvulling op de grotere internationale machines.
Naast deze publiek gefinancierde onderzoeksmachines is de laatste jaren een golf van private bedrijven ontstaan die stellaratortechnologie commercieel willen ontwikkelen. Proxima Fusion, een Duitse spin-off met wortels bij het Max Planck Institute, werkt aan een geoptimaliseerd stellaratorontwerp en wil de kennis van Wendelstein 7-X gebruiken als basis voor een compactere, commercieel bedoelde machine. In de Verenigde Staten kondigde Type One Energy een samenwerking aan met het Oak Ridge National Laboratory om stellaratortechnologie versneld door te ontwikkelen richting een demonstratiereactor. Ook Renaissance Fusion in Frankrijk en Thea Energy in de VS werken aan eigen varianten, onder meer met nieuwe fabricagemethoden voor de complexe magneten. Voor al deze private initiatieven geldt dat het vaak nog gaat om aangekondigde plannen en vroege ontwerpfasen; het is nog te vroeg om te zeggen welke aanpak zal slagen.
Hoe ver is de techniek?
Stellarators liepen decennialang duidelijk achter op tokamaks. Doordat de magneetvorm zo complex is, was het vóór het tijdperk van krachtige computersimulaties lastig om een ontwerp te vinden dat de deeltjes- en warmteverliezen voldoende beperkte. Tokamaks, met hun eenvoudiger geometrie, bereikten daardoor eerder hogere plasmaprestaties. Sinds de jaren negentig en tweeduizend is dat beeld veranderd: door plasma-eigenschappen numeriek te optimaliseren, konden ontwerpers spoelvormen berekenen die de zwakke kanten van klassieke stellarators grotendeels wegnemen. Wendelstein 7-X is daarvan het meest zichtbare resultaat en heeft de laatste jaren steeds langere, beter presterende ontladingen laten zien, wat het vertrouwen in het concept heeft vergroot.
Toch heeft, net als bij tokamaks, nog geen enkele stellarator ooit netto energie geleverd: de energie die nodig is om het plasma te verhitten en op te sluiten, is nog altijd groter dan de fusie-energie die eruit komt. Belangrijke technische obstakels blijven onder meer de bouw van de sterk gekromde supergeleidende spoelen, die met submillimeter-precisie gefabriceerd moeten worden, de hoge kosten die daarmee gepaard gaan, en de ontwikkeling van wandmaterialen die jarenlang bestand zijn tegen het intensieve neutronenbombardement dat bij fusiereacties met deuterium en tritium vrijkomt. De meeste onafhankelijke experts schatten dat commercieel bruikbare fusie-energie, via stellarators of tokamaks, nog op zijn vroegst enkele decennia op zich laat wachten, ook al presenteren sommige start-ups aanzienlijk optimistischere tijdlijnen.
Wie werken eraan?
Het concept werd in 1951 bedacht door de Amerikaanse astrofysicus Lyman Spitzer aan Princeton University, waar ook het Princeton Plasma Physics Laboratory ontstond als een van de historische bakermatten van stellaratoronderzoek. Tegenwoordig ligt het zwaartepunt van het publieke onderzoek vooral in Duitsland, bij het Max Planck Institute for Plasma Physics (met Wendelstein 7-X), en in Japan, bij NIFS (met de Large Helical Device). Ook Spanje (CIEMAT, met TJ-II) en de Verenigde Staten dragen bij aan het fundamentele onderzoek. Internationale organisaties zoals het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) en het Europese samenwerkingsverband EUROfusion coördineren kennisuitwisseling en onderzoeksprogramma's tussen deze instituten.
Daarnaast is er, zoals hierboven beschreven, een groeiende groep private bedrijven actief, waaronder Proxima Fusion en Type One Energy, die vaak voortbouwen op kennis en soms personeel van deze onderzoeksinstituten. Deze bedrijven worden gefinancierd met durfkapitaal en, in sommige gevallen, overheidssteun, in de hoop de ontwikkeling van stellaratortechnologie te versnellen.