Photo by: Krijn Soeteman
Science

Beesten van magneten

| Enith Vlooswijk

Terwijl wij hier steggelen over kerncentrales en windmolens, sleutelen wetenschappers in Frankrijk overstoorbaar verder aan ITER, de grootste experimentele kernfusiereactor ter wereld. De vakgroep Energy, Materials and Systems van hoogleraar Arend Nijhuis werkt al jaren mee aan het kloppend hart van de reactor: zes onvoorstelbaar grote magneten. Voormalig UT-onderzoeker Yury Ilin coördineert het onderzoek aan de magneten ter plaatse.

Wie een kernfusiereactor maakt, kan moeilijk om de magneten heen. In figuurlijke zin, omdat ze zorgen voor de opwekking, vorm en positie van het plasma waarin de kernfusie plaatsvindt. In letterlijke zin, omdat de zes grootste spoelen, met een doorsnede van 8 tot 24 meter en een gewicht van 200 tot 400 ton, gigantisch zijn. Wie vanaf de loopbrug een blik werpt op de hal waarin de eerste al wordt vervaardigd, ziet dat de werklui behoorlijke afstanden moeten afleggen om er een paar keer omheen te lopen. Als Yury Ilin uitleg geeft over de projecten waarmee hij zich bij ITER bezighoudt, spreekt hij niet voor niets over the beasts: het zijn beesten van magneten.

Cadarache

De meeste onderdelen van de kernfusiereactor komen vanuit allerlei plaatsen ter wereld per schip of vrachtwagen naar het ITER-terrein, gelegen in het provençaalse dorpje Cadarache. De zeven leden van ITER - Europa, Rusland, de VS, Zuid-Korea, Japan, China en India - dragen namelijk grotendeels in natura bij aan het project. Ze leveren onderdelen die door de lokale industrie zijn gemaakt. Op die manier raakt de knowhow over het complexe project verspreid over alle deelnemende landen, die hier later van kunnen profiteren. Vier van de zes magneetspoelen die het hart van de reactor zullen vormen, zijn echter veel te groot om over grote afstanden te vervoeren. Deze worden daarom op locatie vervaardigd. De UT was vanaf het begin betrokken bij verschillende onderzoeksprogramma’s voor ITER.

‘Toen ik in 2000 aan de UT begon bij de vakgroep Energy, Materials and Systems van professor Arend Nijhuis, deed de universiteit al onderzoek naar de supergeleiders voor magneten’, vertelt Illin. ‘In 2008 stapte ik over naar ITER, omdat ik zoveel ervaring in Twente had opgedaan en ik wilde bijdragen aan de constructie van de ITER-machine. Nog altijd is de universiteit een belangrijke onderzoekspartner.’ Zo werkt de vakgroep van Nijhuis momenteel aan een rekenmodel dat de situatie in de reactor nabootst.

Kernfusie

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) is een onderzoeksproject dat moet duidelijk maken of kernfusie in de toekomst een haalbare energiebron kan zijn. De donutvormige kernfusiereactor, Tokamak geheten, zal een gloeiendheet plasma bevatten van 150 miljoen graden celsius. In dit plasma botsen deuterium en tritium, een soort waterstofdeeltjes, tegen elkaar, waarna de kernen versmelten tot helium. Hierbij komt energie vrij. Een belangrijk verschil met kernsplitsing in kerncentrales is dat het geen kettingreactie betreft. Er is dus nooit explosiegevaar. Ook ontstaat er erg weinig radioactief afval. Wel kost het erg veel energie en moeite om kernfusie te veroorzaken waarbij meer energie ontstaat dan erin gaat.

Oplossing uit Twente

De twee sterkste magneten zijn gemaakt met geleiders met ongeveer duizend draden niobium-tin, een metaal dat bij een temperatuur lager dan -255 graden Celsius (18 graden boven het absolute nulpunt) supergeleidend wordt: er kan zoveel elektrische stroom doorheen, dat de spoelen een zeer krachtig magnetisch veld opwekken. Bij de eerste prototypes van de spoelen bleken die supergeleidende eigenschappen echter minder goed uit de verf te komen, dan verwacht. ‘Dat was een groot probleem, dat speelde toen ik net in Twente kwam werken’, herinnert Ilin zich. ‘Het duurde acht jaar om uit te zoeken wat er aan de hand was.’ De oplossing kwam uit Twente: het niobium-tin bleek broos en kwetsbaar voor vervorming te zijn. Door de draden op een andere manier samen te vlechten, hoefden ze minder te worden gebogen. De oplossing vormde een van de belangrijke doorbraken voor ITER. 

Niet dat daarmee alle problemen uit de lucht waren. Er zijn al tientallen kernfusiereactoren op deze wereld, maar nooit eerder werd er eentje van deze afmetingen ontwikkeld. Al doende lopen de onderzoekers daarom voortdurend tegen nieuwe problemen aan. Zo zijn de geleiders in de magneetspoelen aan elkaar verbonden met koppelingen die jaren geleden al zijn ontworpen. ‘Ze werden ontworpen voor spoelen die een constant magnetisch veld opwekken’, zegt Ilin. ‘Het magnetisch veld zal echter heel snel veranderen om te reageren op het plasma. Dat kan de koppelingen instabiel maken. Daarom hebben we de UT gevraagd om een rekenmodel te maken dat de situatie nabootst. Zo kunnen we het ontwerp optimaliseren.’

Op de foto: Yuri Ilin (foto: Krijn Soeteman)

Strikte eisen

Niettemin zijn de belangrijkste problemen in de ogen van Ilin wel opgelost. Nu is de fase aangebroken dat de magneten ook werkelijk volgens de uiterst strikte specificaties worden gefabriceerd, iets waarop hij moet toezien. Die vervaardiging is bepaald geen sinecure. ‘De omvang van de machine maakt de productie lastig’, legt Ilin uit. ‘De spoelen krijgen een doorsnede van 25 meter, daar mogen we hoogstens twee millimeter naast zitten.’

Hoewel de magneten in de hal van ITER worden gebouwd, zijn de onderdelen uit allerlei landen afkomstig. Ilin moet ervoor zorgen dat ze zich houden aan de juiste specificaties, zodat ze straks op elkaar passen. Verder is het in elkaar zetten van de componenten zo complex, dat de werklui in sommige gevallen met goedkopere dummies op ware grootte zullen moeten oefenen. Ilin moet ervoor zorgen dat ook die dummies aan de strikte eisen voldoen. 

Ilin vertelt zijn verhaal op een terras van de coffee corner in het hoofdgebouw van ITER. Het is een nieuw, fraai gebouw, met aan de ene zijde een schitterend bos en aan de andere kant het terrein waar de kernfusiereactor verrijst. Om hem heen klinkt Engels in een veelheid aan accenten - binnen ITER werken wetenschappers van tientallen nationaliteiten samen. De sfeer is ontspannen, opgewekt. ‘Ik vind het een grote eer om aan dit project mee te werken’, vertelt Ilin over zijn werk. ‘Ik hoop dat ik erbij ben als de constructiefase voorbij is, te zien dat de machine werkt. Dat is het ultieme doel van iedereen hier.’

(foto: Krijn Soeteman)

Iets meer dan de helft van de componenten is inmiddels af nu, bijna een kwart eeuw nadat de Sovjet-president Mikhail Gorbatsjov en zijn Amerikaanse collega Ronald Reagan in 1985 de intentie uitspraken om samen aan kernfusie te gaan werken. In de loop der jaren kwamen daar Europa, Zuid-Korea, India, Japan en China bij, waarvan Europa nu de grootste bijdrage levert (40 procent). Dat het al zo lang duurt, komt voor een belangrijk deel door politiek gesteggel: waar komt de reactor te staan, wie mag wat maken en wie krijgt de eigendomsrechten? Pas in 2009 ging daardoor de bouw van start, terwijl het ruwe ontwerp van de reactor al negen jaar eerder klaar was. De politieke constructie die uit de onderhandelingen rolde, zorgt verder voor complexe administratieve procedures. Om te waarborgen dat opdrachten voor componenten, experimenten en onderzoek zo correct mogelijk worden verspreid over de deelnemende landen, moeten de wetenschappers met elke opdracht aankloppen bij zogenaamde ‘domestic agencies’, agentschappen die de aanbestedingsprocedures stroomlijnen.

Vooral in de beginjaren kon dit behoorlijk wat vertraging opleveren, vertelt Ilin. ‘Zowel het centrale ITER-team als de lokale agentschappen moeten zich houden aan strikte lokale overheidsregels voor aanbesteding en controle van hun budget. In het begin, toen er nog minder mensen in het centrale team werkten, moesten we onderzoeks- en ontwikkelingstaken vaak uitbesteden. Dat aanbestedingsproces kon maanden duren.’ Het centrale team is inmiddels gegroeid en er is een lokaal Magneetlab gekomen voor experimenten en analyses. Het bureaucratische oponthoud is daardoor volgens Ilin minder geworden. Wel zorgen de juridische procedures soms nog voor veel oponthoud, zo blijkt uit gesprekken met andere werknemers en toeleveranciers.

Too big to fail

Het is de enige, voorzichtige kanttekening die Ilin loslaat over ITER, door critici soms weggezet als miljarden verslindende gekkigheid, een project dat ‘too big to fail’ is. De kostenraming ligt momenteel op ongeveer 20 miljard - vier keer zoveel als oorspronkelijk voorzien. En hoewel de reactor volgens de aanvankelijke planning al af had moeten zijn, duurt dat nog minimaal tot 2030. Op zijn vroegst in 2040 wordt duidelijk of kernfusie werkelijk een economisch rendabele energiebron kan worden.

Ilin trekt zich er weinig van aan. ‘Ik weet zeker dat het gaat werken. En natuurlijk is het veel geld, maar als je kijkt naar wat elk land bijdraagt, valt het ook wel weer mee. Bovendien is het een manier om belangrijke wetenschappelijke en technologische kennis op te doen. Op de langere termijn profiteert de mensheid daar altijd van.’