De Fusion Roadmap

vrijdag, 5 april, 2013

Het Europese fusieonderzoek gaat de komende jaren op de schop!

Tony Donné beschrijft hoe In 2011 het EURATOM programma is geëvalueerd door een onafhankelijk internationaal panel (een van de leden was Hans Chang, de vorige directeur van FOM). De belangrijkste conclusies van het panel waren:

  • De administratie en coördinatie van het fusieonderzoek in Europa is niet meer van deze tijd en zal sterk moeten worden vereenvoudigd;
  • Het budget voor fusieonderzoek zou in de komende jaren iets moeten toenemen ten opzichte van het huidige niveau;
  • Er moet een Roadmap worden ontwikkeld, met als belangrijkste doel om in 2050 elektriciteit uit kernfusie aan het net te leveren. De Roadmap moet de leidraad zijn om het fusieonderzoek in de toekomst te prioriteren en om te bepalen hoe de subsidies besteed gaan worden.

 

Figuur 1 De Fusion Roadmap kan worden gedownload van www.efda.org

In reactie hierop heeft EFDA (de European Fusion Development Agreement) gedurende 2012, in nauwe samenwerking met de Europese fusieassociaties de Fusion Roadmap ontwikkeld. Dit is een stappenplan om te bereiken dat in 2050 fusie-elektriciteit aan het net kan worden geleverd. De Fusion Roadmap verdeelt de zoektocht naar fusie-energie in een achttal missies. Voor iedere missie geeft de Fusion Roadmap een overzicht van de huidige status van het onderzoek, identificeert onopgeloste punten, stelt een onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma voor, en geeft een schatting van de benodigde middelen. Er wordt op gewezen dat het belangrijk is om industriële betrokkenheid te intensiveren en alle mogelijkheden voor samenwerking buiten Europa te zoeken. De Fusion Roadmap onderscheidt drie perioden: het komende Europese kaderprogramma Horizon 2020, de jaren 2021-2030 en de tijd tussen 2031 en 2050. Ik zal hieronder de acht missies kort toelichten, waarbij ik de titels in het Engels heb laten staan.

Missie 1: Plasma regimes of operation

 

 

Figuur 2 JT-60SA komt in 2019 in bedrijf en is de Europees-Japanse satelliettokamak

In een reactor moet een hoge fusieopbrengst worden verwezenlijkt door energieverliezen ten gevolge van turbulentie te reduceren en door plasma-instabiliteiten actief te temmen. Om acceptabele vermogensdeposities in de divertor te verkrijgen, moet zo veel mogelijk vermogen worden uitgestraald vanuit het opgesloten plasma, zonder dat dit nadelige effecten heeft op de fusieopbrengst. Bij voorkeur zou dat alles bereikt moeten worden in steady-state condities. Belangrijk hierbij is ook het ontwikkelen van regelmechanismen om de zgn. detached divertor condities te bewerkstelligen. Missie 1 zal met name worden gedaan op ITER, waarbij kleinere machines zoals JET, JT-60SA (de nieuwe Japans-Europese satelliettokamak) en ASDEX-Upgrade belangrijke aanvullende rollen spelen. Het DIFFER burn control programma is volledig met missie 1 opgelijnd.

 

Missie 2: Heat-exhaust systems

 

Figuur 3 In de snowflake divertorconfiguratie wordt het vermogen uit het plasma over een groter oppervlak uitgespreid.

In het ideale geval zou missie 1 moeten leiden tot een oplossing waarbij divertors van het huidige type (wellicht na enige optimalisatie) bedrijf in DEMO kunnen overleven. Maar om het risico af te dekken dat de geschikte regimes niet te verwezenlijken zijn, moet er parallel onderzoek worden gedaan aan alternatieve oplossingen voor de divertor. Enige nieuwe concepten zoals de snowflake en de super-X divertor en divertors met vloeibare metalen worden momenteel of binnenkort uitgetest op kleinere machines. Deze concepten moeten daarna worden getest op hun haalbaarheid onder DEMO relevante condities. Het zou kunnen dat hiervoor een speciale machine moet worden gebouwd: de Divertor Test Tokamak (DTT). Het mag duidelijk zijn dat we met ons PSI programma en met name met MAGNUM-PSI volop meedoen aan missie 2. MAGNUM wordt zelfs een aantal keren expliciet in de annex genoemd.

 

 

Missie 3: Neutron-resistant materials

 

Figuur 4 De International Fusion Materials Irradiation Facility is momenteel in de ontwerpfase

Op dit moment bestaat de ‘baseline’ materialenportfolio voor DEMO uit EUROFER als structureel materiaal voor de tritium ‘breeding blankets’, wolfraam als ‘plasma facing component’ en koperlegeringen voor de divertorkoeling. Binnen Horizon 2020 moeten al deze materialen worden gekarakteriseerd en moeten bestralingstesten worden uitgevoerd – liefst onder DEMO relevante condities. Een aantal belangrijke en  bekende risico’s moeten door verdere ontwikkeling van de materialen worden weggenomen. Zo is het optimale werkgebied van EUROFER tussen de 350 en 550 °C. Het is belangrijk om door verdere ontwikkelingen deze range verder op te rekken. Voor de ontwikkeling en het volledig testen van nieuwe materialen is een tijdspad van 10-15 jaar benodigd. Een belangrijke faciliteit voor de bestralingstesten is de International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) welke momenteel door Japan en Europa gezamenlijk wordt ontwikkeld.

 

Missie 4: Tritium self-sufficiency

 

Figuur 5 Een van de verschillende ontwerpen voor een ITER Test Blanket Module

Met het ITER Test Blanket programma moet worden aangetoond dat het mogelijk is om in de fusiereactor voldoende tritium te produceren benodigd voor de fusiereacties en warmte voor elektriciteitsopwekking. Europa bestudeert hier twee opties: test blanket modules gebaseerd op eutectisch Pb-16Li en keramisch materiaal, in beide gevallen met helium als koelmiddel. Om het risico te verkleinen, in geval deze opties niet werken, is het voorstel om ook een concept gebaseerd op watergekoeld lithium-lood te onderzoeken. Naast het werk aan de blanketmodules moet er ook het nodige onderzoek worden gedaan aan de extractie van het tritium uit de blankets.

 

Missie 5: Implementation of the intrinsic safety features of fusion

De belangrijkste verschillen tussen ITER en DEMO zijn de veel hogere tritiumstromen en ook de hogere neutronenbelasting. Er moet onderzocht worden wat dit betekent voor de nucleaire vergunningsprocedure en op welke manier met DEMO zo veilig mogelijk kan worden gewerkt. Tevens moet er goed worden gekeken naar de afvalstromen van geactiveerd materiaal en hoe deze zo goed mogelijk te beheersen.

Missie 6: Integrated DEMO design and system development

Nb3Sn is het supergeleidende materiaal dat reeds is gekwalificeerd voor DEMO. Desalniettemin moet er nog veel onderzoek worden gedaan om degradatie van de supergeleidende kabels onder wisselende belasting tegen te gaan. Ook een eenvoudiger magneetconstructie is te prefereren vanwege de lagere kosten. De frequentie van gyrotrons voor ECRH en ECCD moeten worden verhoogd naar ca. 230 GHz en de frequentie moet bij voorkeur in stappen afstembaar zijn. Er zijn geen specifieke nieuwe ontwikkelingen nodig op het gebied van neutrale bundelverhitting, ionencyclotron- en lower hybrid heating. Remote handling en remote maintenance technieken moeten worden geoptimaliseerd om de tijd benodigd voor allerlei werkzaamheden zo kort mogelijk te houden. Hier kunnen we met ons Remote Handling Study Centre aan bijdragen. Ook heel belangrijk is het ontwikkelen van het diagnostiekpark van DEMO. Vele bestaande technieken zullen in DEMO niet meer werken en er moet actief worden gezocht naar nieuwe manieren om het DEMO plasma goed te controleren en optimaliseren.

Missie 7: Competitive costs of electricity

 

Figuur 6 Simpel diagram van een fusie-elektriciteits-centrale

Dit is in omvang een kleine, maar toch een heel belangrijke missie. In het ontwerp van DEMO moet namelijk al heel goed worden gekeken welke impact bepaalde ontwerpkeuzes op de uiteindelijke kostprijs van elektriciteit uit fusie hebben. Het is belangrijk om te zoeken naar goedkope en eenvoudige ontwerpoplossingen, componenten te gebruiken die een lange levensduur in de machine hebben, de beschikbaarheid van de machine zo hoog mogelijk te houden en ook om de efficiëntie van de machine te optimaliseren. Een van de opties waar naar gekeken zal worden is of het mogelijk is hoge temperatuur supergeleiders te gebruiken zodat stikstof in plaats van het dure helium als koelmiddel kan worden gebruikt.

 

Missie 8: Stellarator

 

Figuur 7 Wendelstein 7-X is de grootste supergeleidende stellarator ter wereld en komt eind 2014 in het Duitse Greifswald in bedrijf.

Stellaratoren hebben ten opzichte van tokamaks, waaronder ook ITER en DEMO, een aantal belangrijke voordelen. Allereerst zijn de stellaratoren per definitie steady state en niet gepulst. Op de tweede plaats zijn stellaratoren nagenoeg stroomvrij, waardoor allerlei instabiliteiten die een rol spelen in tokamaks niet kunnen voorkomen. Het speerpunt van het Europese stellaratoronderzoek is de Wendelstein VII-X (W7-X) machine in het Duitse Greifswald. Deze machine komt eind volgend jaar in bedrijf en zal tijdens Horizon 2020 uitvoerig worden getest en verder worden afgebouwd. Het onderzoek aan steady state bedrijf zal met name plaatsvinden in de periode na 2020. W7-X zal tevens bijdragen aan missies 1 en 2 van de Fusion Roadmap. Indien W7-X een succes is, zal de volgende stap een stellarator op het niveau van DEMO kunnen zijn.

 

Het mag duidelijk zijn dat ITER de sleutel faciliteit is in de Fusion Roadmap. Veruit de meeste van de belangrijke mijlpalen worden bereikt met deze machine. Daarom worden ook de meeste middelen binnen Horizon 2020 gewijd aan ITER en de bijbehorende experimenten. De tweede periode, 2021-2030 is gericht op het uitvoerig exploiteren van ITER en op het voorbereiden van de bouw van een demonstratie-energiecentrale DEMO, welke rond 2040 voor het eerst daadwerkelijk fusie-elektriciteit zal leveren aan het net. Bouw en exploitatie van DEMO is het belangrijkste thema van de laatste roadmap fase.

Gedurende de jaren tussen nu en 2050, zal het fusieprogramma langzaam veranderen van wetenschappelijk gedreven werk in het laboratorium in de richting van een industrie- en technologie-gedreven activiteit. De bouw van ITER genereert al een omzet van ongeveer zes miljard euro binnen Europa. Bij het ontwerp, de bouw en de exploitatie van DEMO is volledige betrokkenheid van het bedrijfsleven benodigd om ervoor te zorgen dat, na succesvol DEMO bedrijf, de industrie de verantwoordelijkheid voor verdere commercialisering van fusie-energie op zich te nemen.

Figuur 8 De Fusion Roadmap opgebroken in de 8 missies

Tenslotte nog een paar woorden over de organisatie van het Europese fusieprogramma. Het eerdergenoemde internationale panel vond de huidige organisatie veel te omslachtig en bureaucratisch. Het resultaat is dat de Europese Commissie heeft besloten dat ze na 2013 de Contracts of Association niet langer willen verlengen. Het is de bedoeling dat de organisatie en monitoring van het Europese fusieprogramma wordt uitbesteed aan een externe instantie. Er wordt momenteel gedacht aan het omvormen van EFDA tot een Legal Entity; maar het zou ook kunnen dat er een consortium wordt georganiseerd waar alle huidige fusieassociaties lid van zijn en waarbij één van de leden namens de Europese commissie optreedt als coördinator en het geld verdeeld. Als deze optie wordt gekozen is het het meest waarschijnlijk dat IPP Garching als coördinator op gaat treden. Het budget zal ruwweg hetzelfde blijven als nu maar in plaats van 20% baseline support tot een bepaald plafond zal het geld op een meer competitieve manier moeten worden inverdiend. Wij zijn daar goed op voorbereid, maar zullen de ontwikkelingen met argusogen blijven volgen.