Toroïdale veldspoel: het magnetische korset van een fusiereactor
Een toroïdale veldspoel is een grote, ringvormig gebogen elektromagneet die deel uitmaakt van een kernfusiereactor. Het woord "toroïdaal" verwijst naar een torus: de vorm van een donut of zwembandje. In een fusiereactor zoals een tokamak staan meerdere van deze spoelen als de schillen van een sinaasappel om een donutvormige vacuümkamer heen. Samen wekken ze een sterk magneetveld op dat in de lengterichting van die donut loopt, en dat veld houdt het gloeiend hete plasma binnen op zijn plaats, zonder dat het de wanden raakt.
Een goede analogie is een magnetische kooi rond een vlam die nergens iets mag aanraken. Het plasma in een fusiereactor is honderden miljoenen graden heet, veel te heet voor elk bekend materiaal om aan te raken. In plaats van een fysieke wand gebruikt men daarom een "onzichtbare" wand van magneetvelden. De toroïdale veldspoelen leveren de belangrijkste component van dat magnetische korset: ze buigen de bewegingsrichting van de geladen deeltjes in het plasma steeds bij, zodat die in een baan rond de torus blijven cirkelen in plaats van er zijwaarts uit te ontsnappen.
Wat is het precies?
Een tokamak is het meest gebruikte ontwerp voor een fusiereactor en heeft de vorm van een holle torus (donut). Het plasma, een mengsel van vrije elektronen en atoomkernen bij extreme temperatuur, moet binnen die holle ruimte blijven zweven. Dat lukt alleen met een combinatie van magneetvelden. Het toroïdale veld loopt in de lengterichting rond de torus, als een streep die om de buitenkant van een donut gewikkeld is. Daarnaast is er een tweede, zwakker veld nodig: het poloïdale veld, dat in de dwarsrichting om de plasmakolom zelf heen loopt, als een streep om een worst. Pas de combinatie van beide velden geeft een gedraaide, schroefvormige magnetische structuur die het plasma stabiel op zijn plaats houdt.
De toroïdale veldspoelen zorgen voor het eerste, dominante veldcomponent. Bij een tokamak zijn dit meestal D-vormige spoelen: een platte ring die aan de binnenkant recht is en aan de buitenkant bol, wat de vorm oplevert die de mechanische spanningen het beste verdeelt. Bij ITER, de grootste fusieproefreactor ter wereld, staan er 18 van zulke D-vormige spoelen in een cirkel om de vacuümkamer.
Om een sterk genoeg magneetveld te bereiken, moet er een enorme elektrische stroom door de spoelen lopen: bij ITER gaat het om tientallen kiloampère per spoel. Gewone koperdraad zou daarbij zoveel warmte produceren dat het onwerkbaar wordt. Daarom gebruikt men supergeleiding: materialen die, bij extreem lage temperatuur, stroom geleiden zonder enige elektrische weerstand. ITER gebruikt hiervoor niobium-tin (Nb3Sn), een supergeleidende legering die tot ongeveer 4 kelvin (min 269 graden Celsius, bijna het absolute nulpunt) gekoeld moet worden met vloeibaar helium. Nieuwere projecten experimenteren met hogetemperatuursupergeleiders zoals REBCO-tape (een keramische verbinding van yttrium, barium en koperoxide op een metalen band), die al bij hogere temperaturen supergeleidend zijn en bovendien veel sterkere magneetvelden aankunnen in een compactere spoel.
Een stroom door een spoel in een magneetveld ondervindt een kracht die de Lorentzkracht heet: dezelfde kracht die een elektromotor laat draaien. Bij de enorme stromen en veldsterktes in een fusiereactor lopen die krachten op tot duizenden tonnen per spoel, genoeg om de spoel te laten knappen of vervormen als de constructie niet extreem stevig is. De spoelen worden daarom ingebed in dikke stalen behuizingen en met elkaar verankerd om die krachten op te vangen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel achter de toroïdale veldspoel is kernfusie: het samensmelten van lichte atoomkernen, zoals waterstofisotopen, tot zwaardere kernen, waarbij energie vrijkomt op dezelfde manier als in de zon. Fusie levert in theorie enorme hoeveelheden energie op uit relatief weinig brandstof, zonder de langlevende radioactieve afvalstoffen van kernsplijting en zonder CO2-uitstoot tijdens bedrijf. Om fusie op aarde te laten plaatsvinden, moet het plasma echter tegelijk extreem heet en voldoende dicht zijn, en lang genoeg bij elkaar blijven. Geen enkel materiaal kan die hitte verdragen, dus is magnetische opsluiting essentieel, en de toroïdale veldspoel is daarvan de ruggengraat.
Een sterker toroïdaal magneetveld houdt het plasma steviger en stabieler vast, wat de kans op fusiereacties vergroot. Omdat de magneetveldsterkte een van de belangrijkste knoppen is om de prestaties van een reactor te verbeteren, jagen onderzoekers al decennia op sterkere spoelen. De opkomst van hogetemperatuursupergeleiders heeft dat streven een nieuwe impuls gegeven: met sterkere spoelen kan een reactor kleiner en dus goedkoper gebouwd worden, wat de weg zou kunnen effenen naar commercieel haalbare fusiecentrales.
Voorbeelden uit de praktijk
ITER (Cadarache, Frankrijk) is de grootste internationale fusieproefinstallatie en gebruikt 18 D-vormige toroïdale veldspoelen van niobium-tin, elk zo'n 300 tonnen zwaar. De fabricage en installatie van deze spoelen liep vanaf ongeveer 2013 en de eerste spoelen werden rond 2020 en 2021 op de bouwplaats geplaatst.
EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, China) was een van de eerste tokamaks met volledig supergeleidende toroïdale én poloïdale veldspoelen en produceerde zijn eerste plasma rond 2006. EAST wordt sindsdien gebruikt om lange plasma-ontladingen te testen.
JET (Joint European Torus, Culham, Verenigd Koninkrijk) gebruikte geen supergeleidende maar resistieve, koperen toroïdale veldspoelen. JET was decennialang de grootste operationele tokamak ter wereld en behaalde belangrijke fusierecords voordat de installatie in 2023 buiten dienst werd gesteld.
SPARC, ontwikkeld door Commonwealth Fusion Systems (een spin-off van MIT, VS), zet in op compacte hogeveld-magneten. In 2021 demonstreerde het bedrijf een grootschalige testspoel op basis van REBCO-hogetemperatuursupergeleider die een veld van ongeveer 20 tesla haalde, destijds een record voor dit type magneet en een belangrijke stap richting een kleinere, goedkopere reactor.
Wendelstein 7-X (Max Planck Institut für Plasmaphysik, Greifswald, Duitsland) is geen tokamak maar een stellarator, een ontwerp waarbij niet-vlakke, ingewikkeld gevormde supergeleidende spoelen zelf al de gedraaide magnetische structuur opwekken die bij een tokamak pas ontstaat door toroïdale én poloïdale spoelen te combineren. Wendelstein 7-X is sinds 2015 operationeel en test of dit alternatieve ontwerp stabielere, langduriger plasma's kan opleveren.
Hoe ver is de techniek?
De basisprincipes van toroïdale opsluiting met supergeleidende spoelen zijn goed begrepen en al tientallen jaren in gebruik bij onderzoeksreactoren zoals EAST, KSTAR (Zuid-Korea) en Tore Supra/WEST (Frankrijk). Wat nog volop in ontwikkeling is, is het opschalen naar de afmetingen en veldsterktes die nodig zijn voor een reactor die netto energie levert, en het betaalbaar en betrouwbaar maken van die spoelen op industriële schaal.
De belangrijkste recente doorbraak is de rijping van hogetemperatuursupergeleidende tape. Die maakt sterkere magneetvelden in kleinere spoelen mogelijk, wat in potentie de bouwkosten en -tijd van een fusiereactor flink kan verlagen. Dit is nog relatief nieuwe technologie die pas de afgelopen jaren op relevante schaal is getest.
De obstakels zijn aanzienlijk. De spoelen moeten met een precisie van millimeters gefabriceerd worden terwijl ze tegelijk tientallen meters groot zijn en duizenden tonnen aan mechanische kracht moeten weerstaan. Een risico dat constant beheerst moet worden is de zogeheten quench: het plotseling (lokaal) verdwijnen van de supergeleiding, bijvoorbeeld door een kleine temperatuurstijging, waardoor de spoel binnen een fractie van een seconde weer elektrische weerstand krijgt en enorme hoeveelheden warmte en mechanische schokken kan veroorzaken. Beveiligingssystemen moeten zo'n quench razendsnel detecteren en de energie veilig afvoeren. Daarnaast zijn de toeleveringsketens voor supergeleidend materiaal als Nb3Sn en REBCO beperkt, is grootschalige cryogene infrastructuur (koeling tot enkele kelvin) kostbaar, en zijn de totale bouwkosten van projecten als ITER in de miljarden euro's opgelopen, met vertragingen ten opzichte van de oorspronkelijke planning.
Belangrijk om eerlijk te benoemen: geen enkele fusiereactor heeft tot nu toe langdurig meer energie geleverd dan er in het opwekken en vasthouden van het plasma is gestoken, laat staan commercieel elektriciteit aan een net geleverd. ITER is uitdrukkelijk een proefinstallatie, geen energiecentrale. Tijdlijnen voor commerciële fusie-energie, ook op basis van verbeterde toroïdale veldspoelen, blijven onzeker; schattingen van onderzoekers en bedrijven lopen uiteen van de jaren 2030 tot ver daarna, en eerdere voorspellingen in de fusiesector zijn vaker te optimistisch dan te pessimistisch gebleken.
Wie werken eraan?
De ITER Organization in Cadarache, Frankrijk, is een samenwerkingsverband van 35 landen, waaronder de Europese Unie, de Verenigde Staten, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India, en coördineert de bouw van de grootste tokamak ter wereld, inclusief de fabricage van de toroïdale veldspoelen door verschillende nationale partners.
Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de Verenigde Staten, ontwikkelt compacte hogeveld-tokamaks op basis van hogetemperatuursupergeleidende spoelen. Tokamak Energy in het Verenigd Koninkrijk werkt aan een vergelijkbare aanpak met compacte, sferische tokamaks.
In het Verenigd Koninkrijk beheert UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority) via het Culham Centre for Fusion Energy de erfenis van JET en werkt het aan de opvolger STEP. In China bouwde het Institute of Plasma Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen (ASIPP) EAST en werkt het aan opvolgers. In Duitsland onderzoekt het Max Planck Institut für Plasmaphysik via Wendelstein 7-X het stellaratorontwerp, en in Frankrijk draagt het CEA (Commissariat à l'énergie atomique) via onder meer WEST bij aan onderzoek naar supergeleidende spoeltechnologie.