Egbert van Hattem
De stabiliteit van supergeleidende kabels in de proef-kernfusiereactor Iter, in Cadarache (Frankrijk), kan sterk verbeteren met het kabel-wikkelschema van de Twentse leerstoel ‘Energy, Materials and Systems’.
Prof. dr. ir. Marcel ter Brake toonde dat op het Twentse symposium over supergeleiding. ‘We stellen een minder strakke vervlechting voor van de kabels die de spoel vormen’, aldus Ter Brake. ‘Daardoor zijn de kabels mechanisch stabieler. Ook de wisselstroomverliezen blijken nog eens lager te zijn. De prestaties van de centrale spoel van Iter blijven zo langer op peil. Dat is hard nodig.’
In de Iter-reactor in aanbouw, van 29 meter hoog, zullen naast de centrale spoel (central solenoid) diverse andere supergeleidende spoelen te vinden zijn. Deze zorgen voor het opwekken van het actieve plasma, de vormgeving ervan en de stabilisatie.
De kabels, van niobium met tin of titanium, bestaan uit meer dan duizend draden, op hun beurt opgebouwd uit duizenden ultradunne supergeleidende filamenten met een doorsnede van enkele micrometers. De kleine afmetingen zijn nodig om magnetisatieverliezen te beperken.
De draadstrengen worden slim gewikkeld tot kabels en in stalen behuizingen samengeperst om de hoge mechanische belastingen, van de heersende magneetvelden, aan te kunnen. Ter Brake: ‘Het is hoognodig om de mechanische defecten beter onder controle te krijgen, anders zijn de spoelen na een beperkt aantal runs onbruikbaar.’
Mechanische stress staat veel supergeleidende toepassingen nog in de weg. De Twentse vakgroep heeft theoretische en experimentele kennis in huis om kritische parameters als stromen, magnetische velden en temperaturen te beheersen.
De Franse Iter-kabels worden in Twente getest. Ter Brake: ‘Mijn medewerker Arend Nijhuis heeft als adviseur van Iter geavanceerde modellen ontwikkeld die worden gevalideerd met slim opgezette experimenten. Op basis hiervan is een verbeterd wikkelschema voor de Iter toroidale magneetveldspoelen enkele jaren geleden al toegepast. Onlangs is ook een voorstel gedaan voor de centrale spoel van Iter.’
Op een Twents symposium – in het kader van honderd jaar supergeleiding, vijftig jaar UT en 25 jaar hoogkritische temperatuur supergeleiding – meldde Ter Brake veel te verwachten van supergeleiding voor grootschalige energietoepassingen. Windturbines met ‘direct drive’ – op basis van een supergeleidende roterende magneet – zijn volgens hem compact en betrouwbaar te bouwen. ‘Ze worden aantrekkelijker omdat exotische materialen voor direct drive met permanente magneten in rap tempo schaarser worden. De benodigde koeling moet echter wel betrouwbaar zijn, vooral bij toepassingen op zee waar het onderhoud gecompliceerd is.’
Verder ziet Ter Brake goede voortgang en vooruitzichten voor koeling op basis van de verdampingswarmte van stikstof, in kabels voor elektriciteitstransport over lange afstanden. Deze worden dan zo ontworpen dat vloeibare stikstof verdampt en vervolgens gecontroleerd ontsnapt naar de buitenlucht. ‘Het volstaat dan om koelunits pas na tientallen kilometers in te zetten.’
De denkrichtingen van Ter Brake worden onderschreven door de professor Paul Chu van de Universiteit van Houston. ‘Supergeleidende magneetspoelen kunnen fluctuaties van wind- en zonne-energie als geen ander opvangen. Wel moeten de kabels nog goedkoper en meer betrouwbaar worden en hoe dan ook sterk zijn. De huidige supergeleidende materialen lenen zich daar goed voor.’
