Ingenieurs opleiden voor ‘de meest complexe machine ooit gebouwd’

Prof.dr. Niek Lopes Cardozo - Science and Technology of Nuclear Fusion

Niek Lopes Cardozo leidt studenten op voor ‘de meeste complexe machine ooit gebouwd’: ITER, de eerste kernfusiereactor die netto vermogen gaat opleveren. Een uniek element in de opleiding is het TU/e-PlasmaLab, waar studenten zelf leren plasma’s te maken, controleren en analyseren. Zodat ze later het plasma in ITER, dat tien maal zo heet is als de zon, kunnen beteugelen en daarmee de deur openen naar een bijna onuitputbare bron van energie: kernfusie.

Het is een bekend verhaal: de aardse voorraad fossiele brandstoffen is bijna op en we moeten snel op zoek naar alternatieven. Kernfusie is een hoofdkandidaat. Door het proces na te bootsen dat ook in de zon plaats vindt (het samensmelten van lichte atoomkernen tot zwaardere), kan gigantisch veel energie worden gegenereerd. In tegenstelling tot de politiek omstreden kernsplitsing, de basis van de huidige kernenergie-centrales, komt bij kernfusie geen langlevend radioactief afval vrij. Ook kan de fusiereactie niet ontsporen – geen kans op een meltdown dus. En de voorraad brandstof op aarde is genoeg voor miljoenen jaren.

Megaproject

Maar om fusie-energie te verkrijgen, moet de ‘brandstof’ (een mengsel van deuterium en tritium, twee isotopen van waterstof) eerst verhit worden tot 150 miljoen graden. Het beheersen van zulke hete materie, en er gecontroleerd energie aan onttrekken, behoort tot de moeilijkste projecten waar de mens ooit aan begonnen is – ruim vijftig jaar terug al. De kennis en technologie is inmiddels zo ver gevorderd dat in Zuid-Frankrijk momenteel de eerste fusiereactor wordt gebouwd die tien keer zoveel energie vermogen moet gaan leveren als erin gaat: ITER. Dit megaproject, na het International Space Station het grootste big science project ter wereld, wordt in wereldwijde samenwerking uitgevoerd. ITER is overigens nog steeds alleen een onderzoeksapparaat – hij levert geen elektriciteit aan het net. Pas wanneer de onderzoekers precies weten hoe ze op een stabiele manier energie kunnen winnen uit fusieplasma, zal de eerste commerciële fusiereactor worden gebouwd. 

Dat is waarschijnlijk pas in de tweede helft van de 21ste eeuw. Als de eerste generatie fusiereactoren draait kan de verdere uitrol wel hard gaan, en de potentie is enorm. Maar succes is niet verzekerd, zegt hoogleraar Lopes Cardozo. Want hoewel hij zijn professionele leven heeft gewijd aan fusie-energie, is hij realistisch en kritisch. Er zijn nog grote technische moeilijkheden te overwinnen, economisch is kernfusie geen makkelijk verhaal en misschien wel het belangrijkst:  kernfusie komt er alleen als politiek en maatschappij daar echt voor kiezen. Hij heeft er een boek over geschreven, dat binnenkort in de boekhandel ligt. “Het is zowel een positief als een kritisch boek. Het plaatst vraagtekens: Is het wel nodig? Is het wel duurzaam? Gaat het werken? En daarnaast bespreekt het de wetenschap en technologie met enthousiasme en prachtige infographics.”

TU/e kweekvijver van de ITER-generation

Lopes Cardozo is al sinds 1994 deeltijdhoogleraar aan de TU/e. In 2009 verliet hij hoofdwerkgever FOM om in Eindhoven fulltime hoogleraar te worden en hier met een klein enthousiast team de internationale masteropleiding Science and Technology of Nuclear Fusion op te zetten. "Door de bouw van ITER is een hele nieuwe generatie van fusie-experts nodig. Ingenieurs met een brede kennis van fusietechnologie en een zeer doelgerichte instelling, die het een uitdaging vinden in multidisciplinaire en internationale teams te werken." Een unieke opleiding, zegt Lopes Cardozo over de master die in 2012 startte. “Wij leiden een deel van de ‘work force’ op voor ITER. De ‘TU/e Fusion masters’ gaan werken aan een technologie die in principe de hele wereld van energie kan voorzien. Dat geeft deze studie een bijzondere uitstraling.” De opleiding moet uiteindelijk jaarlijks 20 tot 30 nieuwe studenten trekken, uit binnen- en buitenland. Dit studiejaar (2014/2015) ligt de instroom op achttien, waarvan de helft uit het buitenland . “Overigens kunnen Fusion masters ook heel goed in hightech industrie aan slag, juist door hun multidisciplinaire opleiding.”

Zelf plasma’s maken

Een belangrijk en onderscheidend hulpmiddel in de opleiding is het eind 2011 gestarte PlasmaLab@TU/e, een samenwerking van de vier plasmafysicagroepen van technische natuurkunde. Hier kunnen studenten zelf de basisbeginselen van plasma’s in de praktijk onder de knie krijgen, zoals het opstarten, het verwarmen en het analyseren van plasma’s. En er is zelfs een proefopstelling waarin de studenten echt kernfusie tot stand kunnen brengen, de Fusor. De hoeveelheid vrijkomende fusie-energie is  klein en de efficiëntie is belabberd, maar de studenten kunnen er wel echt fusieprocessen mee bestuderen.

Theater

Om de bekendheid van fusie-energie te vergroten, ontwikkelde de bevlogen hoogleraar zo’n vijftien jaar terug de ‘Fusion Roadshow’, waarmee hij Nederlandse scholen aandeed, maar ook plaatsen als Brussel, Venetië en Parijs.  De show is inmiddels door anderen van FOM en de TU/e overgenomen en draait nog steeds op volle toeren. “De show brengt fusie tot leven op het podium in een mix van wetenschap en theater”, aldus de website. Dat laatste is overigens een oude liefde van Lopes Cardozo. Hij trad vroeger met een variétégezelschap op, en gebruikt nog steeds graag theatertechnieken om zijn boodschap over te brengen, bijvoorbeeld in colleges.

In realtime aansturen

Veel van Lopes Cardozo’s tijd ging de laatste jaren zitten in het opzetten van het onderwijs, maar daarnaast doet de hoogleraar natuurlijk ook onderzoek. Zijn eigen groep werkt vooral op het gebied van ‘sensorics’, het doen van metingen met het doel het plasma te besturen. Dat gebeurt in nauwe samenwerking met de groep Control System Technology van Maarten Steinbuch, waarin ook een sterke onderzoekslijn op gebied van kernfusie tot ontwikkeling is gekomen. Een tweede onderwerp betreft het onderzoek naar materialen die de extreme omstandigheden in een fusiereactor kunnen weerstaan. Ook dit gebeurt in samenwerking met de faculteit Werktuigbouwkunde, de groep Mechanics of Materials van hoogleraar Marc Geers, en groepen binnen de faculteit Technische Natuurkunde. Materialen en control behoren ook tot de grootste uitdagingen voor de haalbaarheid van fusie-energie, legt hij uit. “Lange tijd was turbulentie van het plasma, dat de temperatuur verlaagt, het grootste probleem, maar dat is nu redelijk onder controle. Het onderzoekt verschuift daarmee. We gaan van meten om te begrijpen naar meten om te beheersen. We willen bereiken dat we het plasma in realtime kunnen aansturen. En materialen ontwikkelen die zo hittebestendig zijn dat je ze op de zon zou kunnen leggen.” Het TU/e onderzoek wordt uitgevoerd in nauwe samenwerking met DIFFER, dat begin 2015 naar de TU/e-campus verhuist. Een TU/e-DIFFER project is bijvoorbeeld een spiegel die razendsnel met microgolven plasmaverstoringen kan corrigeren.

Expertisebad

Aan de TU/e is het ‘expertisebad’ voor fusie-energie groot, vertelt de hoogleraar. Op zijn whiteboard staat een lange lijst met TU/e-onderzoekers van uiteenlopende disciplines die allemaal bij het Eindhovense fusie-onderzoek betrokken zijn. “Dat is een groot verschil met werken aan een onderzoeksinstituut zoals DIFFER: hier heb je veel disciplines bij elkaar en de mogelijkheden voor kruisbestuiving zijn geweldig. Juist doordat uitstekende onderzoekers van buiten de traditionele fusiewereld, zoals de groepen van Steinbuch en Geers, of de wiskundige Koren, zich met het fusieonderzoek bemoeien worden er nieuwe wegen ingeslagen. Ik vind dat heel inspirerend, echt een verrijking van het internationale fusieonderzoek.”

‘Bouw twee ITERs’

Kernfusie is al ruim vijftig jaar een grote belofte, en wordt daardoor vaak bestempeld als ‘eeuwige belofte’. Het project ITER komt bijvoorbeeld veel trager tot stand dan origineel gepland. Het probleem is volgens Lopes Cardozo in belangrijke mate het jaarlijkse budget. “Over de hele ontwikkeling gezien is ‘sneller’ zelfs goedkoper, maar per jaar zijn de uitgaven natuurlijk hoger als je het programma versnelt. ITER bouwen kost geen tijd, maar geld. Als je snelheidswinst wil boeken, moet je er nu drie keer zoveel aan besteden. Het bouwen van commerciële centrales, straks, is kapitaalintensief, dat kan niet sneller. De ontwikkeling wel. Bouw bijvoorbeeld 2 ITERs nu, in concurrentie, dan gaat het veel sneller. Helaas zijn de budgetten in de jaren tachtig, toen olie heel goedkoop was, met een factor drie gedaald. Toen was de voorspelling dat het 30 jaar zou kosten om een demonstratiereactor te bouwen. Na de budgetreductie zou dat dus 90 jaar zijn.”

Centraal of decentraal?

Of kernfusie nodig is hangt natuurlijk ook af van het succes van andere duurzame bronnen, zoals zonnepanelen, en opslagtechnologie. De ontwikkeling daar gaat hoopgevend snel, maar er is nog een hele lange weg te gaan.  Hoe passen zo verschillende technologieën als kernfusie en zonnepanelen bij elkaar? “Er is een trend naar decentrale energieopwekking, waarbij bijvoorbeeld woningen en wijken energieproducent zijn, en opslag plaats kan vinden in batterijen van auto’s. Dat is een goede ontwikkeling, ook vanwege risicospreiding.” Tegelijkertijd zal er in een dichtbevolkte, geïndustrialiseerde en geürbaniseerde wereld veel behoefte zijn aan grootschalige, gecentraliseerde energieopwekking.  Een gezonde energie-mix heeft een balans van beide. Lopes Cardozo ligt er niet wakker van dat andere duurzame technologie uiteindelijk mogelijk de ontwikkeling van fusie-energie uitrangeert. Als er maar een oplossing van het energieprobleem komt, vindt hij. “Dus met een doorbraak in zonne-energie ben ik net zo blij.”

Terug naar het overzicht