'De meest complexe machine op aarde'

Magnetisch doosje

Zaak is dus eerst een reactor te bouwen die op te stoken is tot boven de 100 miljoen graden Celsius. De cruciale vraag daarbij is: “waar maak je die reactor van?” Richard Pitts, verantwoordelijke voor de reactorwand van ITER reageert: “We kunnen op zich best een ‘doosje’ maken dat bestand is tegen die temperatuur; de hamvraag is alleen hoe lang dat doosje het uithoudt…”

De oplossing die hiervoor ruim een halve eeuw geleden werd bedacht is complex maar elegant. Wetenschappers in de voormalige Sovjet-Unie ontdekten toen dat het veel slimmer is om het fusiemateriaal te controleren met magnetische velden. Weliswaar brengt dit technisch gezien veel uitdagingen met zich mee, maar het grote voordeel is dat magnetische velden niet slijten, hoe hoog je de verwarming ook opschroeft.

Een voorwaarde voor het functioneren van een magnetische kamer is dat hetgeen je probeert te controleren een netto lading heeft. Hierbij helpt moeder natuur gelukkig een handje, want bij ITER’s beoogde temperaturen zijn atoomkernen niet meer in staat hun elektronen vast te houden. Het resultaat is een soep van negatief geladen elektronen en positief geladen atoomkernen – ook wel plasma genoemd – die zich prima laten dirigeren door een magnetisch veld.

Ook de Joint European Torus – een van de belangrijkste voorgangers van ITER – maakt gebruik van een magnetische kamer in de vorm van een donut, een zogenoemde tokamak. Het geheim van dit concept is dat de elektrisch geladen deeltjes bij een rondgaande beweging in de reactor een magneetveld opwekken dat het bestaande veld versterkt en andere deeltjes gevangen houdt.

Vliegdekschepen afremmen

Toch zal het opstarten van ITER niet zo eenvoudig zijn als de verwarming aanzetten en de deeltjes in de reactor een zetje in de rondte te geven. De magnetische kamer bestaat immers bij de gratie van magneten; héél veel magneten… Neil Mitchell is de man die bij ITER verantwoordelijk is voor de magneten en hij laat weten dat er momenteel zo’n 409 ton aan magneten is geproduceerd, bijna een half miljoen kilo, alsof het de normaalste zaak van de wereld is. “In feite zijn die magneten lange kabels gemaakt van niobium-tin”, laat hij weten. “In totaal zo’n 85.000 kilometer in lengte. Ik schat dat de waarde van die magneten alleen al zo’n 250 miljoen euro is…”

Het principe van deze magneten is vrij eenvoudig, te vergelijken met elke elektromagneet. Jaag een flinke stroom door de kabel die is gewikkeld als een spoel en je wekt een aardig magneetveld op. Hoe hoger die stroom des te sterker is het magneetveld.

Maar ‘aardig’ is in het geval van ITER niet goed genoeg. Hier zijn magneetvelden tot wel 13 tesla nodig, oftewel de 2500 keer de sterkte van een gemiddelde koelkastmagneet. Om dat voor elkaar te krijgen worden er handig gebruik gemaakt van supergeleiding. Door de magneetkabels te koelen tot slechts een paar graden boven het absolute nulpunt verliezen ze hun elektrische weerstand. Dat betekent dat er gigantische stromen doorheen kunnen lopen, zónder dat de kabels opwarmen of zelfs smelten.

“Het is hierbij wel cruciaal dat de magneten niet boven de kritische temperatuur komen”, zegt Mitchell. “Mochten ze op het moment dat ITER draait warmer worden dan zo’n -268 graden Celsius dan verliezen ze hun supergeleidende eigenschap en beginnen de gigantische hoeveelheid energie die ze bevatten om te zetten in warmte. En dat zal waarschijnlijk desastreuze gevolgen voor de reactor hebben. We hebben daarom een noodsysteem waarmee we de 51 gigajoule in het magneetsysteem veilig kunnen afvoeren binnen pakweg 20 seconden. Stel je voor, dit komt overeen met het afremmen van Frankrijks vlaggenschip Charles de Gaulle van 180 km/h tot 0; en dat in dezelfde korte tijd…”

Rocket science van het afvoerputje

Om te voorkomen dat deze noodstop ooit gebruikt hoeft te worden zijn de magneten goed afgeschermd van het gloeiendhete hart van de reactor. Onder andere door de vacuümkamer. De stalen kolos zorgt daarnaast voor een luchtdichte afsluiting van de reactor. Zelfs maar een grammetje lucht zou het fusiefeest in de reactor grondig verpesten. Dat komt onder andere omdat er zich tijdens operatie überhaupt maar een gram brandstof in de reactor zit. ITER wordt naast megamagnetron en magnetische krachtpatser, eigenlijk ook een van de grootste vacuümkamers te wereld. De kamer bestaat uit een dubbele stalen wand waartussen water stroomt ter koeling. Het stalen gevaarte weegt net iets meer dan het ijzer van de Eiffeltoren bij elkaar.

De binnenkant van de vacuümkamer is bedekt met in totaal 44 grote beryllium tegels, het zogenoemde blanket. Het is vooral deze laag die het flink te verduren zal krijgen. Grote hoeveelheden elektromagnetische straling en hoog-energetische neutronen (die niet worden bedwongen door het magneetveld van de reactor) zullen deze laag opwarmen en langzaam radioactief maken.

Een ander onderdeel van ITER dat zwaar onder vuur zal liggen is de zogenoemde divertor. “Het afvoerputje van ITER”, aldus Pitts. Hier wordt onder andere het ontstane helium – eigenlijk het ‘as’ van het vuur in de reactor – weggevoerd. Gezien de hitte van het plasma zal dit de plek zijn waar ITER het meeste zal slijten. Er zijn maar weinig materialen die de voorziene temperatuur (ongeveer 3000 graden Celsius) heelhuids kunnen doorstaan tijdens de beoogde 20-jarige levensduur van ITER, en waarschijnlijk wordt wolfraam in het ontwerp gebruikt, het metaal met het hoogste smeltpunt.

“De materialen van de divertor krijgen een hitte van tientallen megawatt per vierkante meter te verduren”, zegt Rem Haange. Dat is ter vergelijking al gauw zo’n 15.000 keer de energie die de zon op een heldere dag op een vierkante meter aarde schijnt. “Om iets te fabriceren dat zoveel hitte weerstaat kan echt wel rocket science genoemd worden.

Bouwproces

De laatste twee jaar is ITER de constructiefase ingegaan. Dat betekent dat de reactor niet slechts op de tekentafel bestaat, maar dat er in de Zuid-Franse bossen ook daadwerkelijk betonmolens draaien.