Tokamak: het magnetische vat voor kernfusie
Een tokamak is een machine die geladen gas — plasma genoemd — met sterke magneten in een donutvorm opsluit, zodat daarin kernfusie kan plaatsvinden. Kernfusie is het proces waarbij lichte atoomkernen samensmelten tot een zwaardere kern, waarbij energie vrijkomt. Dat is precies hetzelfde proces dat de zon van energie voorziet. Het woord "tokamak" komt uit het Russisch en is een samentrekking van woorden die zoiets betekenen als "toroïdale kamer met magnetische spoelen"; toroïdaal betekent donutvormig.
Stel je een fietsband voor die volledig gevuld is met een gloeiend heet, elektrisch geladen gas van meer dan honderd miljoen graden Celsius. Geen enkel materiaal kan zo'n hitte aanraken zonder direct te smelten. Een tokamak lost dat op door het gas nooit een wand te laten raken: krachtige elektromagneten houden het plasma zwevend in het midden van de "band", als een onzichtbare kooi van magnetische velden. Binnen die kooi kunnen waterstofkernen met genoeg snelheid tegen elkaar botsen om te versmelten, ongeveer zoals in de kern van de zon gebeurt, maar dan kunstmatig nagebootst op aarde.
Wat is het precies?
Een tokamak bestaat uit een donutvormige (ringvormige) vacuümkamer. Daarin wordt een klein beetje waterstofgas — meestal de zware isotopen deuterium en tritium — verhit tot een plasma: een toestand van materie waarin elektronen loskomen van hun atoomkernen, zodat het gas elektrisch geleidend wordt.
Rondom en door die kamer lopen sterke elektromagneten. Een set spoelen wekt een magnetisch veld op dat in de lengterichting van de donut loopt (het toroïdale veld). Daarnaast wordt er een elektrische stroom dóór het plasma zelf gestuurd, wat een tweede magnetisch veld opwekt (het poloïdale veld) dat om de dwarsdoorsnede van de donut heen kringelt. De combinatie van beide velden zorgt voor een gedraaide, schroefvormige magnetische "kooi" die het plasma stabiel op zijn plek houdt, weg van de wanden.
Om fusie te laten plaatsvinden moet het plasma extreem heet zijn — tientallen tot meer dan honderd miljoen graden Celsius, veel heter dan de kern van de zon — én voldoende dicht en lang genoeg bij elkaar blijven. Dat samenspel van temperatuur, dichtheid en opsluitingstijd bepaalt of er per saldo meer energie vrijkomt dan er nodig was om het plasma op te warmen. Verwarming gebeurt onder meer met microgolven, radiogolven en het injecteren van hoogenergetische neutrale deeltjes.
Belangrijk verschil met een ander ontwerp, de stellarator (zoals Wendelstein 7-X in Duitsland): een stellarator wekt alle magnetische velden op met complex gevormde externe spoelen en heeft géén elektrische stroom door het plasma nodig. Een tokamak is mechanisch eenvoudiger maar leunt op die plasmastroom, wat het gevoeliger maakt voor bepaalde instabiliteiten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel is een fusiereactor die netto meer energie produceert dan er nodig is om het proces op gang te houden, en die deze energie kan omzetten in bruikbare elektriciteit — vergelijkbaar met hoe een kerncentrale nu warmte gebruikt om stoom en dus elektriciteit op te wekken, maar dan zonder de langlevende radioactieve afval van kernsplijting.
Kernfusie belooft een vrijwel onuitputtelijke energiebron: de brandstof (deuterium, te winnen uit water, en tritium, te kweken uit lithium) is in grote hoeveelheden beschikbaar. Fusie stoot geen CO2 uit tijdens de energieopwekking en produceert geen kettingreactie die kan doorslaan, waardoor een meltdown zoals bij kernsplijting niet mogelijk is. Er ontstaat wel radioactief materiaal doordat reactoronderdelen door neutronenstraling geactiveerd worden, maar dat blijft doorgaans veel korter gevaarlijk dan splijtingsafval.
Precies om die belofte — schone, veilige en vrijwel onbeperkte energie — investeren overheden en bedrijven al decennia in tokamaks, ook al is de weg naar een werkende centrale veel langer gebleken dan aanvankelijk gehoopt.
Voorbeelden uit de praktijk
- JET (Joint European Torus), in het Verenigd Koninkrijk, was decennialang 's werelds grootste operationele tokamak. In februari 2022 zette JET een record voor de hoeveelheid fusie-energie die in één experiment werd geproduceerd. De machine voerde in 2023 haar laatste experimenten uit en wordt sindsdien ontmanteld.
- ITER, in aanbouw in Cadarache, Frankrijk, is een internationaal samenwerkingsproject (met onder meer de EU, de VS, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India) en moet de grootste tokamak ter wereld worden. Het doel is aan te tonen dat een tokamak tien keer meer fusie-energie kan opleveren dan er aan verwarmingsenergie ingestopt wordt. Het project kampt al jaren met flinke vertragingen en kostenoverschrijdingen; een eerste plasma met de energieleverende deuterium-tritiumbrandstof wordt volgens de huidige planning niet eerder dan in de jaren 2030 verwacht.
- SPARC, gebouwd door het Amerikaanse bedrijf Commonwealth Fusion Systems (een spin-off van MIT) in Devens, Massachusetts, is een compactere tokamak die gebruikmaakt van nieuwe, zeer sterke hogetemperatuur-supergeleidende magneten. De bouw begon in 2021; het bedrijf mikt op eerste plasma in de tweede helft van de jaren 2020, met als doel te laten zien dat een kleinere machine ook netto energiewinst kan opleveren.
- EAST, in China, is een experimentele supergeleidende tokamak die vooral bekendstaat om records in de duur waarin een hete plasmastaat wordt vastgehouden; in 2023 haalde EAST opnieuw een record voor langdurige plasma-opsluiting, wat belangrijk is omdat een toekomstige centrale niet slechts seconden maar continu moet kunnen draaien.
- JT-60SA, in Naka, Japan, is een Europees-Japans samenwerkingsproject en momenteel de grootste operationele supergeleidende tokamak ter wereld. De machine produceerde in oktober 2023 haar eerste plasma en dient onder meer om kennis en ervaring op te bouwen voor ITER.
Hoe ver is de techniek?
Tokamaks bestaan al sinds de jaren zestig, toen Sovjet-onderzoekers het concept ontwikkelden. Sindsdien is de techniek sterk verbeterd, maar het uiteindelijke doel — een reactor die structureel meer energie oplevert dan ze verbruikt, inclusief alle systemen eromheen, en die dat commercieel rendabel doet — is nog niet bereikt.
De grootste technische obstakels zijn: het stabiel houden van het plasma over langere tijd zonder dat het door instabiliteiten "ontsnapt" of afkoelt; materialen vinden die de intense neutronenstraling en hitte jarenlang kunnen doorstaan; het efficiënt kweken van tritium binnen de reactor zelf, omdat dit element nauwelijks van nature voorkomt; en het betaalbaar en betrouwbaar bouwen en onderhouden van zulke complexe machines.
Nieuwe hogetemperatuur-supergeleidende magneten, zoals gebruikt in SPARC, zijn de afgelopen jaren een van de meest besproken doorbraken: ze maken sterkere magnetische velden mogelijk in compactere en dus goedkopere machines. Toch blijft het tempo van de sector traag ten opzichte van vroegere verwachtingen — al decennia wordt gezegd dat werkende fusie-energie "over dertig jaar" beschikbaar zal zijn. Onafhankelijke experts benadrukken dat zelfs na een geslaagde demonstratie van netto energiewinst er nog jaren tot decennia overheen zullen gaan voordat fusiecentrales daadwerkelijk elektriciteit aan het net leveren.
Wie werken eraan?
Tokamak-onderzoek is van oudsher grotendeels een zaak van internationale, publiek gefinancierde samenwerking. Het grootste voorbeeld is ITER, gedragen door de Europese Unie, de Verenigde Staten, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India. In Europa coördineert het EUROfusion-consortium fusieonderzoek, met JET en bijdragen aan ITER en JT-60SA als speerpunten. Japan en de EU werken samen aan JT-60SA; China ontwikkelt EAST verder en bouwt aan opvolgers; Zuid-Korea investeert in KSTAR.
Daarnaast is er de afgelopen tien à vijftien jaar een golf van particuliere fusiebedrijven ontstaan die eigen, vaak compactere tokamaks bouwen, met Commonwealth Fusion Systems (SPARC) als bekendste voorbeeld dankzij aanzienlijke private investeringen en een directe link met MIT-onderzoek. Ook andere landen, waaronder het Verenigd Koninkrijk (via het UK Atomic Energy Authority) en diverse Aziatische en Europese onderzoeksinstituten, zetten in op tokamak-gerelateerd onderzoek, soms naast alternatieve ontwerpen zoals stellarators of laserfusie.