Rob Stroeks, NOST Tokyo
Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.
Samenvatting
In de Japanse provincie Gifu staat het National Institute for Fusion Science (NIFS). Het is een gedurfd en vooralsnog succesvol project dat moet leiden tot een werkbare fusiereactor, de ultieme verlossing van buitenlandse energiebronnen waar Japan zo afhankelijk van is. Of deze droom ooit zal uitkomen? Bij de planning twintig jaar geleden wogen de langetermijnvoordelen in ieder geval op tegen de hoge kosten en de halve eeuw die minimaal nodig was om deze investeringen terug te verdienen. De beslissing over NIFS, met zijn hoge bouwkosten en jaarlijkse hoge operationele kosten, stamt uit de jaren tachtig. Toen liep de Japanse “bubbel”-economie zo goed, dat ieder project financierbaar was. Parallel doet Japan sinds die tijd mee aan het internationale fusieproject ITER, dat gebaseerd is op een fundamenteel ander concept en dat NIFS een beetje in de schaduw lijkt te zetten.
Het lijkt een luxe om op twee paarden te wedden. Maar is het enkel luxe? Is NIFS een “bubbel”-project of liggen er toekomstvisie en daadkracht ten grondslag aan deelname aan twee parallelle initiatieven? Levert NIFS Japan over een aantal decennia commerciële kernreactoren en intellectuele voorsprong om internationaal concurrerend te blijven? Moeten we daarom niet juist meer samenwerken met Japan? De beslissing om ITER uiteindelijk niet in Japan maar in het Franse Cadarache te bouwen betekent niet dat NIFS een inferieur concept is. Integendeel, beide concepten zijn complementair en leveren samen het noodzakelijk inzicht voor commerciële kernfusie op lange termijn. Tijdens een recent bezoek aan NIFS stelde Minister Maria van der Hoeven: “De kennis van NIFS is nodig voor het behalen van de ITER-doelstellingen.”
Een fusiereactor simuleert een natuurlijk fenomeen dat plaatsvindt in het centrum van de zon. Daar fuseren positief geladen protonen in waterstofkernen met elkaar, doordat ze door temperaturen van enkele miljoenen graden en gigantische druk zodanig versnellen, dat ze hun afstotende kracht overwinnen. Geen reactor op aarde kan deze hoge druk in de zon echter aan. Ter compensatie zijn hogere temperaturen van rond de honderd miljoen graden noodzakelijk. De testreactor bij NIFS is gebaseerd op botsingen tussen deuterium en tritium, varianten van waterstof waarbij de kern naast een positief proton nog een of twee neutrale delen bevat. De reden van deze keuze is dat deuterium en tritium relatief snel fuseren. Iedere gram van deze grondstof heeft voldoende potentieel voor de productie van energie vergelijkbaar met acht ton olie.
Plasma
Kernfusie vindt plaats in plasma. Bij verhitting verandert materie van vast naar vloeibaar en gas. Bij extreem hoge temperaturen breken de negatieve elektronen los van de positieve ionen in de kern van een atoom. Gas in deze speciale toestand, hoge temperatuur en geladen met elektriciteit heet plasma. Voorbeelden van plasma zijn vlammen, TL-verlichting en aurora. Het is echter niet goed bekend hoe plasma zich gedraagt. In de natuur verdwijnt het na verloop van tijd, doordat het uitdijt (aurora, vlam) of zijn energie kwijtraakt aan zijn omhulsel (TL-buis). Om gecontroleerd en op langere termijn energie uit plasma te kunnen halen is het belangrijk dat het dezelfde vorm behoudt. NIFS en ITER maken beide gebruik van de eigenschap dat de losgebroken elektronen rond magnetische vectoren (lijnen) cirkelen. Beide principes behouden het plasma door de magnetische velden te beïnvloeden met spoelen. Andere onderzoekers gebruiken krachtige lasers om het plasma te behouden.
Vergelijking met ITER
Het grote verschil tussen NIFS en ITER is de wijze waarop de magnetische spoelen zijn aangebracht en de daaruit volgende vorm van het plasma (zie afbeelding). Bij NIFS zijn de spoelen in een spiraalvorm aangebracht: het large helical device (LHD). Het resultaat, een wokkel-vormig gedraaid plasma, heet heliotron. Bij ITER zijn ronde spoelen aangebracht waardoor het plasma de vorm van een donut krijgt: de zogenoemde Tokamak-opstelling. De LHD-configuratie bij NIFS is weliswaar ingewikkelder maar heeft een aantal voordelen. Het NIFS-plasma is volledig van buitenaf te controleren en te behouden door de LHD. Het plasma bij ITER wordt mede in stand gehouden door krachten in het plasma zelf. Dat beperkt de controleerbaarheid. De grote meerwaarde van de NIFS-aanpak is de aanstuurbare stabiliteit van het plasma. Dit is een van de belangrijkste voorwaarden voor een commerciële reactor waarin het plasma zeker een jaar in stand moet blijven. Een tweede voordeel is dat de wokkel-vorm bij NIFS zorgt voor wisselwerking die uiteindelijke wisselstroom oplevert, terwijl de donut-vorm bij ITER gelijkstroom produceert die daarna weer omgezet moet worden in door de consument bruikbare wisselstroom. Een nadeel is dat bij NIFS lagere temperaturen te behalen zijn dan bij de andere opstellingen: honderd in plaats van tweehonderd miljoen graden.
Hoewel de LHD-opbouw ingewikkelder is dan de ITER-spoelen, is NIFS twintig jaar eerder gebouwd. De reden hiervoor is dat er in de jaren tachtig nog niet voldoende technologie was om aan de hoge eisen van de Tokamak-spoelen te voldoen. Deze moeten minimale magnetische verschillen boven en onder het plasma opvangen, een probleem waar het gewokkelde NIFS-plasma geen last van heeft.
Resultaten combineren
NIFS is opgericht in 1989. Doelstelling is, aan te tonen dat plasma van hoge temperatuur voor lange tijd stabiel behouden kan worden. De bouw van de testfaciliteiten, waaronder de LHD, heeft tien jaar geduurd. De eerste onderzoeksfase van tien jaar is in 2009 afgesloten met afzonderlijke successen voor temperatuur en stabiliteit van het plasma: plasma van 65 miljoen graden is een seconde behouden en plasma van 12 miljoen graden is 54 minuten in stand gehouden. Het instituut staat op het punt de tweede fase van tien jaar in te gaan. In deze periode wil men beide successen combineren: plasma van zestig miljoen graden een uur stabiel houden. Het is de bedoeling die resultaten te combineren met Tokamak-opstellingen. Naast de in aanbouw zijnde opstelling van ITER zijn er al enkele onderzoeksopstellingen in werking, waarvan twee in Japan. Met deze bestaande opstellingen zijn al temperaturen van 150 miljoen graden behaald voor een periode van minder dan een seconde en met verschillende waarden van interne krachten die het plasma in stand moeten houden. De gezamenlijke resultaten moeten rond 2024 leiden tot een weloverwogen keuze van een demonstratie-reactor, die vanaf 2036 moet gaan draaien.
Hoge kosten en samenwerking
Het succes van NIFS is belangrijk om de hoge kosten ervan te verantwoorden. In Duitsland bouwt het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) de Wendelstein 7-X, een testreactor die hetzelfde principe volgt als de LHD bij NIFS. Hoge kosten bemoeilijken echter de bouw van de Wendelstein, die in 2015 opgeleverd moet worden. Hoge kosten maakten ook een eind aan de bouw van een ander vergelijkbaar type, de NCSX, die in aanbouw was bij het Princeton Plasma Physics Laboratory in de VS.
In de wereld staan ongeveer twintig testopstellingen voor onderzoek met kernfusie.
Het succes van het kostbare instituut NIFS is voor buitenlandse instituten een drijfveer voor samenwerking in de grootste testopstelling in zijn soort. NIFS heeft dan ook zes bilaterale en drie multilaterale internationale samenwerkingen. De samenwerking met Nederland loopt via de EU. Sinds 1997 werken onderzoekers van de Nederlandse Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) samen met collega’s van NIFS. Onder andere werkten FOM en NIFS samen aan de diagnostiek van plasma.
Bronnen
– National Institute for Fusion Science (NIFS): http://www.nifs.ac.jp/
