Vacuümvat: het luchtledige hart van een fusiereactor
Een vacuümvat is een gesloten metalen kamer waaruit vrijwel alle lucht en gas zijn weggepompt. Vergelijk het met een thermosfles: tussen de dubbele wand van een thermosfles zit een luchtledige ruimte, zodat warmte niet kan weglekken via geleiding door lucht. In een vacuümvat van een fusiereactor gaat het niet om het vasthouden van warmte, maar om het scheppen van een extreem schone, lege ruimte waarin een wolk van gloeiend heet gas — plasma genoemd, gas dat zo heet is dat de elektronen loslaten van de atomen — vrij kan zweven zonder ergens tegenaan te botsen.
Het vacuümvat is daarmee het centrale reactievat van een kernfusiereactor, zoals de tokamak of stellarator (twee typen ringvormige fusiemachines). In projecten als ITER in Frankrijk gaat het om een gigantische, donutvormige stalen constructie van duizenden tonnen, waarbinnen wetenschappers proberen het proces na te bootsen dat de zon aandrijft: de fusie van lichte atoomkernen tot zwaardere, waarbij energie vrijkomt.
Wat is het precies?
Het vacuümvat heeft de vorm van een torus, ofwel een donut: een ring met een gat in het midden. Binnen deze ring wordt met sterke magneetvelden een plasma van waterstofisotopen vastgehouden op temperaturen van meer dan honderd miljoen graden Celsius — vele malen heter dan de kern van de zon.
De wand van het vat bestaat meestal uit twee lagen roestvrij staal (een speciaal type, 316L(N) genoemd, dat niet magnetisch is en goed bestand is tegen straling) met een tussenruimte waar koelwater doorheen stroomt. Deze dubbele wand geeft niet alleen stevigheid aan de enorme constructie, maar biedt ook afscherming tegen de neutronenstraling die bij fusiereacties vrijkomt en dient als bevestigingspunt voor allerlei apparatuur aan de binnenkant, zoals verwarmingssystemen en diagnostische sensoren.
Om het vat leeg te pompen wordt eerst een voorvacuüm gemaakt met turbomoleculaire pompen (pompen met razendsnel draaiende schoepenwielen die gasmoleculaire uit de kamer wegslingeren). Daarna zorgen cryopompen — oppervlakken die tot bijna het absolute nulpunt zijn afgekoeld — ervoor dat de laatste gasmoleculen als het ware vastvriezen tegen de wand. Zo ontstaat een ultrahoog vacuüm: de druk in het vat is dan grofweg een miljard keer lager dan de normale luchtdruk om ons heen.
Dat extreme vacuüm is nodig omdat zelfs een klein beetje restgas het plasma zou verontreinigen en afkoelen, waardoor de fusiereactie stokt. Daarnaast vormt het vacuümvat de eerste fysieke barrière die het radioactieve fuel tritium (een zware waterstofvariant) binnen de reactor houdt en die een deel van de neutronenstraling tegenhoudt — een belangrijke veiligheidsfunctie.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is kernfusie als energiebron bruikbaar te maken. Fusie belooft, in theorie, een vrijwel onuitputtelijke energiebron te zijn: de brandstof (deuterium, te winnen uit zeewater, en tritium, te kweken uit lithium) is overvloedig aanwezig, er is geen risico op een kernsmelting zoals bij kernsplijting, en er ontstaat geen langlevend radioactief afval.
Om dat te bereiken moet het plasma lang genoeg en schoon genoeg bij elkaar gehouden worden dat er meer fusie-energie vrijkomt dan er nodig is om het plasma op te warmen en vast te houden — de zogeheten netto energiewinst. Het vacuümvat is daarbij geen bijzaak maar een randvoorwaarde: zonder een vrijwel deeltjesvrije omgeving is opsluiting van het plasma met magneetvelden niet houdbaar. Het vat bepaalt mede hoe groot, zwaar en kostbaar een fusiereactor wordt, en het moet tientallen jaren meegaan onder zware thermische en stralingsbelasting.
Voorbeelden uit de praktijk
ITER (Cadarache, Frankrijk) is het grootste internationale fusieproject ooit, met 35 deelnemende landen. Het vacuümvat bestaat uit negen gebogen segmenten van dubbelwandig roestvrij staal, gebouwd door consortia in Zuid-Korea en Europa en met precisie tot op enkele millimeters aan elkaar gelast. De montage van deze reuzenpuzzel is de afgelopen jaren grotendeels afgerond.
Wendelstein 7-X in Greifswald, Duitsland, van het Max Planck Institut für Plasmaphysik, is een stellarator: een fusiemachine met een ingewikkelder gedraaide magneetconfiguratie dan een tokamak, wat resulteert in een sterk gebogen, asymmetrisch vacuümvat. De machine draait sinds 2015 en heeft de afgelopen jaren herhaaldelijk records verbeterd voor de duur en energie-inhoud van stellaratorplasma's.
JET (Joint European Torus), bij Culham in het Verenigd Koninkrijk, was van 1983 tot eind 2023 in bedrijf en zette in 2021-2022 een record neer voor de hoeveelheid fusie-energie uit een enkele puls (69 megajoule). JET fungeerde decennialang als testbed voor ITER-technologie en wordt nu ontmanteld, wat ook waardevolle data oplevert over hoe materialen reageren op langdurige blootstelling aan tritium.
EAST (Hefei, China), een supergeleidende tokamak, is vooral bekend van pogingen om plasma zo lang mogelijk vast te houden — met pulsen die inmiddels meerdere minuten duren — als voorbereiding op het Chinese vervolgproject CFETR.
SPARC, van het Amerikaanse bedrijf Commonwealth Fusion Systems (een spin-off van MIT) in Devens, Massachusetts, is een compacte tokamak die gebruikmaakt van nieuwe, sterkere hooge-temperatuur-supergeleidende magneten. Doordat sterkere magneten een kleiner vacuümvat toestaan, hoopt het bedrijf sneller en goedkoper tot een netto energiewinst te komen dan met de klassieke, grotere aanpak.
Hoe ver is de techniek?
Ultrahoog-vacuümtechniek op zich is volwassen: ze wordt al decennia toegepast in deeltjesversnellers en de halfgeleiderindustrie. De uitdaging bij fusie zit in de combinatie van reusachtige afmetingen, stralingsbestendige materialen, extreem nauwkeurige lasnaden over meters staal, en het feit dat het vat na verloop van tijd zelf radioactief wordt — onderhoud moet dan met op afstand bestuurde robots gebeuren.
Bij ITER is de bouw van het vacuümvat zelf ver gevorderd, maar het bredere project kampt met herhaalde vertragingen ten opzichte van de oorspronkelijke planning uit de jaren 2000 en 2010; de meest recente herziene tijdlijnen wijzen op een eerste plasma in de vroege jaren 2030 en volledige deuterium-tritiumwerking pas daarna. Ook de kosten zijn fors hoger uitgevallen dan aanvankelijk geraamd. Belangrijke knelpunten zijn de internationale toeleveringsketen (onderdelen komen uit tientallen landen), vergunningverlening als nucleaire installatie, en de technische complexiteit van het samenspel tussen vat, supergeleidende magneten en koelsystemen.
Kleinere, private initiatieven zoals SPARC proberen juist door schaalverkleining sneller resultaat te boeken, maar moeten nog bewijzen dat hun aanpak op langere termijn betrouwbaar en betaalbaar is. Over de hele linie geldt: het lukt steeds beter om plasma langer en heter vast te houden, maar een fusiecentrale die daadwerkelijk stroom aan het net levert, bestaat nog nergens.
Wie werken eraan?
ITER wordt gedragen door een intergouvernementele samenwerking tussen de Europese Unie (via Euratom/Fusion for Energy), de Verenigde Staten, China, Rusland, India, Japan en Zuid-Korea. In Europa coördineert het EUROfusion-consortium veel van het onderliggend onderzoek.
Het Max Planck Institut für Plasmaphysik (Duitsland) beheert Wendelstein 7-X, terwijl de UK Atomic Energy Authority (UKAEA) in het Verenigd Koninkrijk de erfenis van JET voortzet en werkt aan een eigen prototype-centrale (STEP). In China zijn instituten van de Chinese Academy of Sciences, waaronder ASIPP, verantwoordelijk voor EAST en de plannen voor CFETR, en in Zuid-Korea beheert het Korea Institute of Fusion Energy de KSTAR-tokamak.
Daarnaast zijn er inmiddels tientallen private fusiebedrijven actief, waarvan Commonwealth Fusion Systems, Tokamak Energy (VK), TAE Technologies (VS) en Helion Energy (VS) tot de bekendste behoren — elk met een eigen ontwerp voor het vacuümvat en de magneten eromheen.