Nieuwe kernfusiereactor: brengt JT-60SA ‘schone energie van de toekomst’ dichterbij?

Vorige week werd de experimentele kernfusiereactor JT-60SA operationeel in Japan. Hij dient als aanvulling op ITER, ‘s werelds grootste onderzoeksreactor in wording. “De SA is in staat om het fusieproces langer dan voorheen en met meer efficiëntie te laten plaatsvinden”, stelt professor werktuigkunde Tine Baelmans (KU Leuven).

De JT-60SA staat in het Japanse Nationaal Instituut voor Fusiewetenschap (NIFS) en is het resultaat van een samenwerking tussen meer dan 500 wetenschappers en ingenieurs, en meer dan 70 bedrijven uit zowel Europa als Japan. Het ontwerp van de machine komt het dichtst in de buurt van het gigantische internationale ITER-fusieproject dat in Zuid-Frankrijk wordt gebouwd, maar ze is met een diameter van 13,7 meter en een hoogte van 15,4 meter niet zo groot.

De voornaamste doelstelling van de JT-60SA is de eigenschappen van plasma te bestuderen. Die studie is op termijn noodzakelijk voor de realisatie van een praktische fusiereactor.

Beelden van de reactor:

Return on investment

Kernfusie is het proces dat de zon van energie voorziet. Het is hypermoeilijk na te bootsen op aarde. Om tot een kernfusie te komen, moeten twee isotopen van waterstof, deuterium en vaak tritium, worden verhit tot 150 miljoen graden Celsius. Onder die buitensporige temperaturen ontstaat een elektrisch geladen gas, plasma. Wanneer de temperaturen in het plasma hoog genoeg zijn opgelopen, smelten de deeltjes samen en worden enorme hoeveelheden energie voortgebracht. Dat proces in de kern van de zon reproduceren in een reactor is een uitdaging waar verschillende generaties wetenschappers al decennialang het hoofd over breken. Wereldwijd is nog geen enkele organisatie erin geslaagd een fusiereactor te ontwerpen die meer energie produceert dan vereist is om hem op gang te brengen.

Onderzoekers staan niettemin al érgens. “Het is al een hele tijd geleden sinds men in het JET-project voor het eerst de kernfusiereactie heeft doen plaatsvinden”, betoogt professor en vicerector Tine Baelmans (KU Leuven), die doctoreerde over de schakel tussen fysica en fusietechnologie. “We weten hoe dat moet en we kunnen dat. En de reden waarom we naar een grote schaal gaan, is om dat langdurig te kunnen doen met een return on investment van energie.”

Wat moet JT-60 SA’s bijdrage aan het fusie-experiment worden?

TINE BAELMANS. “We hadden al de JT-60: een Japans onderzoeksprogramma rond een hele mooie tokamakmachine. De afkorting SA staat voor super advanced, deze machine is dus een soort update. JT-60SA is in staat de voorwaarden voor kernfusie langer en met meer efficiëntie te realiseren. Daarvoor hebben we het product van drie zaken nodig: de dichtheid in de kern van de reactor, de temperatuur en de tijd dat de deeltjes in die kern blijven. De som van die delen is bepalend om de reactie te doen plaatsvinden.

“De wetenschappers die eraan werken, gaan vooral proberen de plasmasituaties verder te optimaliseren. Concreet maakt de machine gebruik van een vacuümcontainer waarin waterstofplasma wordt opgesloten en verhit tot extreem hoge temperaturen. Die heeft een hoog magnetisch veld en kan heel wat vermogen binnenbrengen, waardoor die temperatuur zo extreem hoog kan worden. Ze kan op niet-inductieve wijze het plasma aan de gang houden.”

‘Er wordt onderzoek gedaan naar plasmastromen: hoe die op de wand van de reactor terechtkomen en je die kunt koelen zonder dat die wand wegsmelt’

Tine Baelmans (KU Leuven)

Vollediger beeld

Waarin verschillen de experimenten tussen het nog onvoltooide ITER en JT-60SA?

BAELMANS. “Het doel is ook experimenten zonder de isotoop tritium uit te voeren. Experimenten met tritium zijn meer gericht op de specifieke uitdagingen van deuterium-tritiumfusie, het gemakkelijkste plasma om tot een kernfusie te komen en dus een belangrijke kandidaat voor praktische kernfusiereactoren. Maar experimenten zonder tritium dienen om de basisprincipes van plasmafysica te doorgronden en stellen wetenschappers in staat een vollediger beeld te krijgen van de gedragingen van plasma onder verschillende omstandigheden, in variërende hoedanigheden. Daarnaast werken de onderzoekers aan tritiumvrije fusieconcepten om de zorgen met betrekking tot veiligheid te verminderen: tritium is een radioactieve isotoop, die zwakke betastraling uitzendt.

“Eigenlijk is JT-60SA vooral een onderzoeksreactor. ITER is dat ook, maar wel met de bedoeling de makkelijkste kernfusiereactie te doen plaatsvinden. ITER wil zo veel mogelijk fusie-energie kunnen produceren en bewijzen dat kernfusie op een continue en gecontroleerde manier kan gebeuren. Terwijl bij JT-60SA eerder wordt gebruik gemaakt van technisch meer uitdagende methoden.”

Uw doctoraat ging over de link tussen fysica en technologie. Dat heeft bij JT-60SA ook een concrete invulling.

BAELEMANS. “Ja, er wordt onderzoek gedaan naar plasmastromen: hoe die op de wand van de reactor terechtkomen en je die kunt koelen zonder dat die wand wegsmelt. Men neemt de combinatie van het plasma dat binnenin zit en de materialen van de reactor onder de loep. Het is essentieel om die interactie te begrijpen. Ook dat is de focus van de JT60-SA.”

Lees ook: