Torus: de donutvorm die kernfusie moet laten werken
Een torus is simpelweg de vorm van een donut of een zwemband: een ring met een gat in het midden, ontstaan door een cirkel rond een as te draaien die niet door het middelpunt van die cirkel loopt. In de wiskunde is het een bekende, sierlijke vorm, maar in de technologie duikt de torus vooral op in één specifiek en spectaculair domein: kernfusie. De reactorvaten waarin onderzoekers proberen de energiebron van de zon na te bootsen, hebben vrijwel allemaal deze ringvorm.
Waarom is dat zo belangrijk dat het de vorm zelf een eigen naam en reputatie heeft gegeven? Stel je een lange rechte buis voor waarin je extreem heet, elektrisch geladen gas (plasma) probeert vast te houden met magneten. Aan de uiteinden van die buis lekt het plasma er simpelweg uit, net zoals water uit een open tuinslang stroomt. Buig je diezelfde buis om tot een ring, dan heeft hij geen uiteinden meer: het plasma kan eindeloos rondjes blijven draaien zonder ergens te ontsnappen. Die ene truc, een buis dichtvouwen tot een torus, is een van de fundamentele bouwstenen van vrijwel elk modern fusie-experiment.
Wat is het precies?
Kernfusie is het proces waarbij lichte atoomkernen, meestal waterstof-isotopen zoals deuterium en tritium, samensmelten tot een zwaardere kern (helium) en daarbij enorme hoeveelheden energie vrijgeven. Dat is hetzelfde proces dat de zon en andere sterren aan het branden houdt. Om fusie op aarde te laten plaatsvinden, moet je gas verhitten tot temperaturen van tientallen tot honderden miljoenen graden. Bij die temperatuur vallen atomen uiteen in een mengsel van losse atoomkernen en elektronen: plasma, vaak de ‘vierde toestand van materie’ genoemd naast vast, vloeibaar en gasvormig.
Geen enkel materiaal kan plasma van die temperatuur aanraken zonder te verdampen. De oplossing is magnetische opsluiting: omdat de deeltjes in plasma elektrisch geladen zijn, kun je ze met sterke magneetvelden op hun plaats houden, zwevend in het midden van een vacuümkamer, zonder dat ze de wand raken. De meest gebruikte vorm voor die kamer is de torus, omdat een ringvormig veld geen open uiteinden heeft waar deeltjes kunnen weglekken.
Een torus alleen is echter niet genoeg. Een magneetveld dat precies rond de ring loopt (het ‘toroidale’ veld) is namelijk aan de binnenkant van de ring sterker dan aan de buitenkant, waardoor deeltjes toch langzaam naar buiten drijven. Om dat te compenseren, wordt er een tweede veldcomponent toegevoegd die dwars op de ring staat (het ‘poloidale’ veld), zodat het totale magneetveld een lichte spiraal vormt rond de ring. In een tokamak, het meest voorkomende type fusiereactor, wordt dat tweede veld opgewekt door een elektrische stroom door het plasma zelf te sturen. In een ander type, de stellarator, wordt hetzelfde effect bereikt door de magneetspoelen zelf in een complexe, verdraaide vorm om de torus te wikkelen, wat technisch lastiger te bouwen is maar het plasma stabieler maakt zonder inwendige stroom nodig te hebben.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel is een elektriciteitscentrale die energie wint uit fusie in plaats van uit kernsplijting (de huidige kerncentrales) of uit fossiele brandstoffen. Fusie belooft in theorie een vrijwel onuitputtelijke brandstofbron: deuterium is te winnen uit zeewater en tritium kan binnen de reactor zelf worden ‘gekweekt’ uit lithium. Er komt geen CO2 bij vrij, en het proces produceert geen langlevend radioactief afval zoals splijtingsreactoren, al raakt de reactorwand zelf wel enigszins radioactief door de neutronen die vrijkomen.
Een ander voordeel dat vaak genoemd wordt is veiligheid: fusie stopt vanzelf zodra de omstandigheden niet meer kloppen, er is geen kettingreactie die kan doorschieten zoals bij kernsplijting. Dat maakt een ongeluk zoals in Tsjernobyl of Fukushima in theorie niet mogelijk bij fusie.
De grote uitdaging is dat je meer energie uit het plasma moet halen dan je erin stopt om het te verhitten en op te sluiten. Die verhouding heet de Q-waarde: bij Q=1 haal je evenveel energie eruit als je erin stopt, en voor een commercieel haalbare centrale moet Q ruim boven de 10 liggen. Tot op heden is nog geen enkel experiment op aarde daarin geslaagd; de beste resultaten liggen nog ruim onder het punt van netto energiewinst voor het hele systeem (inclusief de energie om de magneten en verwarmingssystemen te laten draaien).
Voorbeelden uit de praktijk
De Joint European Torus (JET), gebouwd in Culham in het Verenigd Koninkrijk en decennialang beheerd door het Britse UKAEA namens Europese onderzoekspartners, was tot voor kort de grootste operationele tokamak ter wereld. In februari 2022 kondigde het team aan 59 megajoule fusie-energie te hebben geproduceerd tijdens een plasma van vijf seconden, destijds een record. Eind 2023 voerde JET zijn allerlaatste experimentenreeks uit met een deuterium-tritiummengsel, waarna de machine na veertig jaar dienst buiten gebruik werd gesteld voor ontmanteling.
ITER, in aanbouw in Cadarache in Zuid-Frankrijk, is het grootste internationale fusieproject ooit, met de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, India, Japan, Zuid-Korea en het Verenigd Koninkrijk als partners. ITER is bedoeld om voor het eerst een netto energiewinst (Q rond de 10) op experimentele schaal aan te tonen. Het project kampt al jaren met flinke vertragingen en kostenoverschrijdingen; volgens de meest recente, in 2024 bijgestelde planning wordt ‘eerste plasma’ nu niet voor het einde van dit decennium verwacht, en volledige deuterium-tritiumexperimenten zouden pas in de jaren daarna volgen. Exacte jaartallen zijn in het verleden meermaals naar achteren geschoven en moeten met enige voorzichtigheid worden gelezen.
In Greifswald, Duitsland, onderzoekt het Max Planck Institut für Plasmaphysik met de Wendelstein 7-X, een stellarator, of de ingewikkelder maar mogelijk stabielere geometrie van dit reactortype op termijn voordelen biedt boven de tokamak.
Aan de commerciële kant probeert Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van het Amerikaanse MIT, met de compacte tokamak SPARC in Devens (Massachusetts) aan te tonen dat sterkere, hogetemperatuur-supergeleidende magneten een veel kleinere en goedkopere reactor mogelijk maken dan ITER. Het Britse bedrijf Tokamak Energy werkt met een vergelijkbare filosofie aan compacte, sferische tokamaks zoals de ST40.
China's EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) in Hefei richt zich niet op piekvermogen maar op vol te houden plasma's: in 2023 hield het een hoogwaardig plasma ruim 400 seconden stabiel, en begin 2025 meldden Chinese onderzoekers naar verluidt een nieuw record van meer dan duizend seconden. Dat laatste cijfer is op het moment van schrijven nog niet in een onafhankelijk gepubliceerd wetenschappelijk artikel bevestigd en moet dus met een korrel zout worden genomen.
Hoe ver is de techniek?
Fusieonderzoek bestaat al sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw, en het is een veld dat berucht is om optimistische voorspellingen die telkens naar achteren schuiven. Toch is er de afgelopen jaren wel degelijk vooruitgang: JET's energierecords, de steeds langere plasmaduren bij EAST en KSTAR (Zuid-Korea), en de opkomst van sterkere supergeleidende magneten hebben het veld dichter bij praktisch haalbare condities gebracht dan ooit.
Toch is netto energiewinst op aarde, inclusief alle systemen die de reactor zelf nodig heeft, nog altijd niet bereikt binnen een torusvormige magnetische opsluiting (bij een heel ander type experiment, laserfusie bij het Amerikaanse National Ignition Facility, is in 2022 wel voor het eerst meer energie uit de fusiereactie zelf gehaald dan de lasers erin stopten, maar dat is een fundamenteel andere technologie zonder torusvorm). Belangrijke technische obstakels blijven onder meer: materialen die de intense neutronenstraling en hitte jarenlang kunnen doorstaan, het ‘kweken’ van voldoende tritium binnen de reactor zelf, en het betaalbaar opschalen van supergeleidende magneten.
De meeste serieuze experts schatten dat een eerste demonstratiecentrale die elektriciteit aan het net levert op zijn vroegst ergens in de jaren 2030 tot 2040 realistisch is, en dat volledig commerciële, concurrerende fusiecentrales er waarschijnlijk pas na 2040 komen. Diezelfde inschatting wordt overigens al decennia gedaan, wat aangeeft hoe lastig het is om dit soort tijdlijnen hard te maken.
Wie werken eraan?
Fusieonderzoek is van oudsher een publiek, internationaal aangelegen veld. ITER is het grootste voorbeeld daarvan, met de EU, het VK, Zwitserland, de Verenigde Staten, Rusland, China, India, Japan en Zuid-Korea als deelnemende partijen. Nationale laboratoria spelen een grote rol: UKAEA in het Verenigd Koninkrijk (JET en de opvolger STEP), het Max Planck Institut für Plasmaphysik in Duitsland (Wendelstein 7-X), het Chinese Institute of Plasma Physics in Hefei (EAST), het Koreaanse National Fusion Research Institute (KSTAR) en het Amerikaanse Department of Energy met laboratoria als Princeton Plasma Physics Laboratory.
Daarnaast is er de laatste tien tot vijftien jaar een golf van private fusiebedrijven ontstaan, gevoed door durfkapitaal: Commonwealth Fusion Systems (VS, voortgekomen uit MIT), Tokamak Energy (VK), TAE Technologies (VS), General Fusion (Canada) en Helion Energy (VS) zijn enkele van de bekendste namen. Niet al deze bedrijven gebruiken overigens een klassieke torusvormige tokamak; sommige experimenteren met alternatieve opsluitingsgeometrieën.