Onderhoud troef bij kernfusiereactor Iter

Hoe haal je uit een kuub zeewater meer energie dan uit een vat olie? Met kernfusie. De technologie heeft heel veel potentie maar de fusiereactie is extreem lastig op gang te brengen en te houden. Iter probeert aan te tonen dat kernfusie op commerciële schaal energie kan opwekken. Nederlandse inbreng in dat big science-project richt zich onder meer op het wegschieten van verstoringen in het fusieplasma en het op afstand onderhouden van de fusiereactor.

Alexander Pil
30 juli 2013

De zon haalt zijn energie uit kernfusie. Door de hoge temperatuur en druk in het binnenste van de zon ontstaat er een plasma, een hete soep van atoomkernen en elektronen. Af en toe botsen de kernen frontaal op elkaar waardoor ze samenklonteren en een flinke bak energie afgeven. Het grootste deel van die fusiereacties gebeurt met waterstofkernen (protonen). Via verschillende stappen kunnen vier van die kernen tot één heliumkern combineren. De zon zet per seconde ongeveer 600 miljoen ton waterstof om in zo‘n 596 miljoen ton helium. De massa van het heliumatoom is namelijk niet gelijk aan de massa van de vier waterstofkernen. Tijdens de fusie gaat er een klein beetje massa verloren. Via Einsteins E = mc2 vertaalt dat massaverschil zich in energie.

In het Zuid-Franse Cadarache bouwen China, Europa, India, Japan, Rusland, de VS en Zuid-Korea de International Thermonuclear Experimental Reactor (Iter). Dat megaproject moet aantonen dat het mogelijk is om met kernfusie netto energie op te wekken. Rond 2027 moeten daar daadwerkelijk deuterium-tritiumreacties te zien zijn.

Wetenschappers over de hele wereld proberen al decennia lang om de kernfusie in de zon na te bootsen op aarde. In een laboratoriumomgeving lukt dat al heel aardig. De onderzoekers gebruiken daarvoor deuterium en tritium. Dat zijn waterstofisotopen met respectievelijk een en twee extra neutronen. Bij een botsing fuseren die twee clustertjes tot een heliumkern met 3,5 MeV aan energie en een los neutron met 14,1 MeV aan energie. Op dit moment hebben de onderzoekers het fusieproces nog niet zo goed in de vingers dat ze er ook echt netto energie uit kunnen halen; er is meer energie nodig om de kernfusie op te wekken en aan de gang te houden dan dat de reactie opbrengt. Maar ze zitten dicht tegen het omslagpunt aan, zeggen de wetenschappers.

De truc is om genoeg botsingen te laten optreden. Voor een acceptabele opbrengst uit aardse kernfusie is een temperatuur nodig van maar liefst 150 miljoen kelvin (tien keer zo warm als in de zon). Dat lukt alleen in een plasma dat met elektrische stroom, radiogolven en microgolfstraling op temperatuur wordt gebracht en gehouden. Probleem is dat er geen materiaal bestand is tegen zulke extreme hitte. Het plasma moet dus zeer nauwkeurig in positie worden gehouden. Een botsing met de wand van de plasmakamer heeft namelijk twee kwalijke effecten: een flinke beschadiging aan die wand en fnuikende afkoeling van het plasma.

Omdat het plasma bestaat uit geladen deeltjes, kan een magnetisch veld het in toom houden. Dat gebeurt in een zogenaamde tokamak, waar wetenschappers het plasma in een donutvormige ruimte gevangen houden en controleren. Ook de positief geladen heliumkernen kunnen na de reactie hier niet uit weg. Alleen op de losse neutronen hebben de magneten geen vat. Die deeltjes vliegen wel naar buiten. Ze bevatten tachtig procent van de opgewekte energie uit de reactie die je kunt oogsten, bijvoorbeeld door de neutronen water te laten verwarmen en daarmee een stoomturbine aan te drijven.

 advertorial 

Keynote speech by Mark Vaes (Additive Industries)

Mark Vaes (Additive Industries) will deliver the keynote speech during the Idea to Industry Conference (Eindhoven, 7 October). During his presentation he will explain his experiences on how to bring an idea to the market and what it takes to grow from startup towards a scale up. Take a look at the full conference program and make sure you sign up in time for this corona-proof event, as seating capacity is limited.

Wereldwijd staan er verschillende tokamaks. In alle gevallen gaat het om proefopstellingen waarmee onderzoekers proberen om de fusietechnologie onder de knie te krijgen. De grootste en krachtigste actieve reactor staat vlak bij Oxford. Zelfs die Joint European Torus (Jet) is bij lange na niet goed genoeg voor commercieel gebruik. Dat is wel het uiteindelijke doel van alle researchinspanningen: een reactor die het energienetwerk kan voeden.

De volgende stap in de ontwikkeling is Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor). Dat megaproject met inbreng van China, Europa, India, Japan, Rusland, de VS en Zuid-Korea moet aantonen dat het mogelijk is om met kernfusie netto energie op te wekken. De deelnemende landen en partijen mikken op een factor tien: er moet minstens tien keer zo veel energie uit komen als in gaan. In eigen terminologie drukken ze dat uit als Q ≥ 10. In het Zuid-Franse Cadarache zijn inmiddels de grondvesten gelegd. Dit jaar wordt begonnen met de bouw van het tokamakcomplex. Pas rond 2027 verwacht Iter daadwerkelijk deuterium-tritiumreacties te kunnen laten zien.

Bij kernfusie klonteren de waterstofisotopen deuterium (2H) en tritium (3H) samen. Het resultaat is een heliumkern (4He) met 3,5 MeV aan energie en een los neutron met 14,1 MeV aan energie.

Iter is echter nog steeds een onderzoeksreactor. Het systeem is niet ingericht om energie aan het net te voeden. Het uitgebreide grid dat is aangelegd in Cadarache gaat alleen stroom uit het net onttrekken voor alle experimenten. De volgende stap in kernfusieontwikkeling is een volwaardige commerciële energiecentrale. Waar Iter mikt op een opbrengst van 500 MW gedurende minstens vijfhonderd seconden, moet die Demonstration Power Plant (Demo) continu minstens vier keer zo veel opbrengen. Daarbij bouwen de onderzoekers door op de fundamenten en de ervaringen van Iter. Volgens de huidige roadmap duurt het zeker nog tot 2033 voordat we daar wat van mogen verwachten.

Instabiliteit

In vergelijking met kernsplijting is het resultaat van kernfusie veel beter gedefinieerd. Er botsen immers twee bekende deeltjes met maar één mogelijk resultaat. Bij kernsplijting kan de uraniumkern in heel veel verschillende isotopen uiteenvallen. Bovendien moet je het proces in een kerncentrale actief in toom houden. Gebeurt dat niet, dan escaleert de reactie en krijg je een meltdown. Bij het kernfusieproces moet je juist alles op alles zetten om de reactie überhaupt te starten en in stand te houden. Als de condities maar even afwijken van het optimum, dooft de reactie vanzelf uit.

In de Iter-reactor is het dus essentieel om eventuele verstoringen in het plasma direct de kop in te drukken. Dat is een van de specialiteiten van het Fom-instituut Differ in Nieuwegein (het voormalige Fom-instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen). ’Die instabiliteiten kun je vergelijken met een zonnevlek‘, zegt Differ-onderzoeker Dennis Ronden. ’Het zijn plaatsen waar net even wat minder energie in het plasma zit.‘

Het is zaak deze verstoringen zo snel mogelijk weg te schieten. Alleen dan krijg je een stabiel en goed reactief plasma. Dat kan door het plasma lokaal extra te verwarmen met microgolven. Electron cyclotron resonant heating (ECRH) heet dat. In de Iter-reactor komen vier zogenaamde poortpluggen (zie kader) om de ECRH in het plasma te kunnen koppelen. Ronden: ’Het gaat om microgolven van 170 GHz. Die gedragen zich min of meer als licht en we kunnen ze dus met spiegels heel precies richten op de instabiliteit.‘

Een snel schakelende spiegel heeft Iter niet nodig voor ECRH. De instabiliteit draait alleen hard rond het centrum van de donut. In de andere richtingen is de beweging beperkt. ’We gebruiken daarom de duty cycle van de bron‘, vertelt Ronden. ’Elke keer als de instabiliteit voorbijkomt, zetten we de bron even aan. Met de spiegel bewegen we de bundel ook omhoog en omlaag, maar de responstijd is relatief laag. We hebben een paar seconden om de bundel van de het ene naar het andere punt te geleiden.‘

Het is een Nederlandse uitvinding om die verstoringen op te sporen en weg te schieten. ’In een samenwerking tussen Fom en de TU Eindhoven is het gelukt om er een regellus op te zetten‘, weet Cock Heemskerk, directeur van ingenieursbureau Heemskerk Innovative Technology. ’Als je zo‘n instabiliteit raakt met je ECRH-bundel, verlies je heel veel energie. Dat heeft een lokale resonantie tot gevolg die je op een iets verschoven golflengte kunt waarnemen als een gereflecteerd signaal. De intensiteit van die reflectie is echter veel lager dan die van de ingekoppelde bundel. Je stuurt er megawatts in en krijgt picowatts terug. Je hebt dus heel goede signaalscheiding nodig. Het is de verdienste van het team van Marco de Baar van Fom en de TUE dat we de twee signalen nu kunnen onderscheiden. In de fusiewereld is dat hot news. Door die techniek kunnen we nu met de bundel in het plasma prikken en als we een resonantiesignaal terugkrijgen, weten we dat er een instabiliteit te pakken hebben. Dan is het een kwestie van locken en verhitten.‘

Op zolder

Positief is dat kernfusie heel weinig radioactief afval oplevert. In tegenstelling tot bij kernsplijting zijn de reactieproducten zelf niet eens radioactief, alleen de gebruikte apparatuur kan geactiveerd en besmet raken. Dat is echter zo beperkt dat het materiaal slechts een jaar of honderd hoeft te worden opgeslagen. Dat lijkt misschien lang, maar het is ordegroottes kleiner dan bij kernsplijting. In het Iter-project is op locatie een opslagruimte voorzien.

Omdat kernfusie niet geheel verschoond blijft van radioactiviteit, valt de ontwikkeling en de bouw van de Iter-reactor onder de nucleaire wet- en regelgeving. Daar komt opnieuw Nederlandse inbreng om de hoek kijken. ’Je moet er rekening mee houden dat er van alles kapot kan gaan‘, schetst Heemskerk het probleem. Zijn bedrijf is gespecialiseerd in onderhoud op afstand en deed ervaring op bij onder meer de kernreactor in Petten en de Europese ruimterobotarm Era. ’Wettelijk gezien, moet je overal op zijn voorbereid. We mogen het systeem niet eens bouwen als we niet kunnen aantonen dat we dat onderhoud tot in de puntjes onder controle hebben.‘

Alle kritieke onderdelen zullen tijdens de levensduur van Iter waarschijnlijk een keer aan vervanging toe zijn. Omdat de tokamak straks in voor mensen verboden gebied staat, moet dat onderhoud op afstand gebeuren. Heemskerk: ’Tijdens de bouw kun je er nog fysiek naast staan om te kijken of alles goed gaat. Als Iter operationeel is, kan dat niet meer. We gaan de reactor dus bouwen met dezelfde apparaten die straks verantwoordelijk zijn voor het onderhoud. Dat betekent dat onderhoud in een veel vroeger stadium in het ontwikkelproces belangrijk is. Ook al is de reactor pas over een jaar of tien klaar en verwachten we het eerste grote onderhoud pas over vijftien jaar, toch moeten we vandaag al aan de onderhoudsproblematiek werken.‘

Magneetvelden houden het plasma binnen de donutvormige kamer van de fusiereactor. Verstoringen in het plasma drukt Iter de kop in door die plekken extra te verwarmen met microgolven. 

Alle onderdelen moeten worden ontworpen op onderhoudbaarheid. ’Dat is echt een mentaliteitsverandering‘, zegt Ronden. ’Kernfusie is een geëvolueerd onderzoeksgebied dat ooit is begonnen met een klein table-topmachientje. Generatie na generatie zijn die apparaten gegroeid. De wetenschappers hebben al die tijd totaal niet nagedacht over onderhoudsstrategieën. Dat is nieuw voor ze en daar spinnen wij garen bij omdat wij vanuit een engineeringhoek naar het proces kijken en bovendien jarenlange ervaring hebben met dergelijke problemen.‘ Heemskerk vult aan: ’We moeten het onderhoud tot in detail plannen. Als er ergens een lasverbinding moet worden doorgezaagd, hoe doe ik dat dan? Kan ik er bij? Moet ik de zaagsnede bijvijlen? Welk gereedschap moet ik daarvoor ontwikkelen? Dat soort scenario‘s moeten we allemaal bottom-up doorlopen.‘

Virtual reality speelt daarbij een hoofdrol. De systemen waar Differ aan werkt, bestaan immers nog niet fysiek. Op de zolder van het zeventiende-eeuwse kasteel Rijnhuizen heeft Differ een proefopstelling gebouwd, bijna een controlekamer voor onderhoudswerkzaamheden. Het systeem bestaat uit vijf werkplekken ’want onderhoud is geen eenmansactiviteit‘, benadrukt Heemskerk. Op de eerste stoel zit de ingenieur die de onderhoudshandelingen fysiek uitvoert. Hij heeft daarvoor twee haptische robotarmen van het Franse Haption beschikbaar waarmee hij de (nu nog virtuele) robotarmen in de Iter-omgeving kan besturen. De acties die hij uitvoert, ziet hij op een groot scherm voor zich. Naast hem zit iemand die de beschikbare camera‘s bestuurt zodat de eerste ingenieur steeds optimaal zicht heeft. De derde bureaustoel is gereserveerd voor de ’opdrachtgever‘ die zegt wat er moet gebeuren en checkt of alle scenario‘s netjes worden afgewerkt. Plek vier is voor de veiligheidscoördinator die in de gaten houdt of alles wel netjes binnen de grenzen verloopt. De vijfde werkplek is voor een eventuele trainer. In de uiteindelijke opstelling bij Iter zal die positie komen te vervallen.

Het Haption-systeem kan overweg met zes vrijheidsgraden zodat een operator heel vrij is in zijn bewegingen. De haptische terugkoppeling tot maximaal 35 newton zorgt voor een heel reële ervaring. ’We hadden ook een eigen concept ontwikkeld voor dit onderdeel‘, vertelt Heemskerk. ’Dat was mechanisch robuuster, sterker en beter, maar ook erg duur. Zo veel duurder zelfs dat het voor onze simulatiefaciliteit niet handig was.‘ Voor de virtuele omgeving gebruikt Differ het simulatiepakket VR4Robots van Tree C Technology uit Ede. ’Die software is verantwoordelijk voor de kinematische kant van de simulatie. Wij hebben daar het fysische gedrag aan toegevoegd zoals wrijving tussen objecten en zwaartekracht.‘

Dat alles staat of valt met de kwaliteit van de simulatie realiseren Heemskerk en Ronden zich terdege. ’Simulatie is maar simulatie. Je moet altijd ijken‘, verwoordt Heemskerk het. ’We hebben een aantal gereedschappen en onderdelen fysiek nagebouwd in hardware en getest met ervaren operators van NRG in Petten om te kijken of onze simulaties op handelingsniveau overeenkomen met de werkelijkheid. Ook krijgen we er zo een beter gevoel bij hoe lang een actie duurt. Een shutdown van Iter kost zo‘n half miljoen euro per dag. Dan moet je alles natuurlijk goed plannen.‘

Klodders

De EU heeft een agentschap opgericht, Fusion for Energy, dat voor projecten binnen Iter een Europese aannemer zoekt. Bedrijven kunnen zich inschrijven op zulke tenders. Omdat onderhoudbaarheid een belangrijk thema is, eist Iter – en dus Fusion for Energy – dat iedereen die wil bijdragen ook nadrukkelijk rekening houdt met die requirement. ’Daar kunnen wij ons brood mee verdienen‘, denkt Heemskerk. ’We zijn als een van de weinigen in de wereld gekwalificeerd om zulke analyses uit te voeren. Is een onderdeel onderhoudbaar of niet? We nemen niet de ontwerpverantwoordelijkheid over maar kunnen wel aanbevelingen doen. ’Je hebt nu deze spiegel in dat hoekje gelast, maar heb je er ook aan gedacht dat hij misschien wel eens vies wordt? Hoe ga je hem dan op afstand demonteren en later weer terugplaatsen?‘ Vaak hebben ze daar niet bij stilgestaan. Hoe geef je de koelwateraansluiting vorm zodat je die makkelijk kunt lossnijden en lassen? Dat lijkt misschien triviaal maar is het zeker niet. Het hele proces moet zijn gevalideerd: het gereedschap, de operator, de maat van de buis, de procedure, het materiaal, alles.‘

Ronden: ’Iter schrijft ook voor dat je zo veel mogelijk bestaande tools gebruikt. Gereedschap dat zich al heeft bewezen bij bijvoorbeeld Jet. Als je met die tools uit de voeten kunt, zit je niet met het probleem dat je nieuw gereedschap moet ontwikkelen en valideren. Dat is extreem duur. Bovendien probeert Iter zo enige mate van standaardisatie in te bouwen zodat het niet voor elk onderdeel een aparte gereedschapskist nodig heeft.‘

Omdat kernfusie niet geheel verschoond blijft van radioactiviteit, is onderhoud al vanaf het begin van de ontwikkeling zeer belangrijk. Op zolder van kasteel Rijnhuizen heeft Differ een controlekamer voor onderhoud op afstand gebouwd om die activiteiten onder de knie te krijgen.

Naast onderhoudbaarheid is ook traceerbaarheid een issue. Heemskerk: ’Als je een nieuw automodel met robots in elkaar gaat zetten, zal er aan de eerste honderd wagens nog van alles mankeren. Van Iter is er maar een, dus het moet ook in één keer goed. Stel, we vinden over tien jaar een lek bij een bepaalde las. Dan willen we kunnen terughalen wanneer en wat er fout is gegaan in het lasproces zodat we ook vergelijkbare lassen uit dezelfde periode en die zijn gelegd met hetzelfde gereedschap kunnen inspecteren. Voorspelbaarheid, daar gaat het om. Als je een schroevendraaier laat vallen, kan de gevolgschade enorm zijn. Moet je een nieuwe spiegel bestellen, dan ben je zo drie maanden en een paar honderdduizend euro verder. Het is een experimentele machine, dus we kunnen niet alle mogelijke ongelukken in een model vangen. Je hebt een man in the loop nodig, een persoon achter de knoppen die kan achterhalen waar er iets is gesmolten of waar er klodders metaal in de weg zitten.‘

In alle gevallen komt het erop neer dat Differ met ontwerpteams zal moeten sparren over de mogelijkheden en de grenzen. ’We hebben wel eens een discussie gehad over de exacte plaats van een lasnaad‘, vertelt Ronden. ’De ontwikkelaars wilden hem zo ver mogelijk van de reactorkamer vandaan omdat de radioactieve straling de las kan beschadigen. Dat betekende echter dat het vrijwel onmogelijk was om er met het lasapparaat bij te komen en om alles uit te lijnen. Dan moet je lobbyen om tot een compromis te komen. We zijn daarbij afhankelijk van wat de experts ons vertellen. Het is soms een heel moeizaam proces want iedereen is van elkaar afhankelijk voor de juiste informatie en er zitten ongelooflijk veel veiligheidsmarges en onbekende factoren in het systeem. De praktijk moet straks uitwijzen of we te voorzichtig te werk zijn gegaan of dat we redelijk op de norm zitten. Te ondoordacht is het zeker niet, dat kan ik me niet voorstellen.‘