De supergeleidende tape die fusie-energie mogelijk moet maken

Om kernfusie commercieel haalbaar te maken, zijn extreem krachtige magneten nodig die plasma kunnen opsluiten bij temperaturen hoger dan die in de zon. Decennialang gebeurde dat met koperen spoelen of lagetemperatuursupergeleiders (LTS). Maar de recente opmars van hogetemperatuursupergeleiders (HTS) verandert het speelveld radicaal.

HTS-tapes zijn gebaseerd op dunne lagen REBCO – een zeldzame-aarde bariumkoperoxide. Ze geleiden enorme stromen en blijven functioneren bij veel hogere temperaturen en magnetische velden dan traditionele supergeleiders. Daardoor kunnen fusiemagneten compacter en krachtiger worden.

Een verdubbeling van het magnetische veld kan leiden tot een 40-voudige volumeverkleining van een reactor, zonder verlies aan vermogen. Dat maakt prototypes goedkoper en sneller te bouwen. In een industrie die inmiddels bijna 10 miljard dollar aan investeringen heeft opgehaald, is dat cruciaal voor de route naar commerciële fusie, door 75% van de spelers voorzien voor 2035.

Het probleem is dat er te weinig HTS-tape is. De jaarlijkse wereldproductie is zo’n 10.000 km, veel te weinig voor de tientallen reactoren die in de pijplijn zitten. Eén enkele fusiereactor kan al ongeveer 10.000 km tape nodig hebben.

Waarom PLD (met excimeerlasers) onmisbaar is

De prestatie van HTS-tape hangt vrijwel volledig af van de kwaliteit van de micrometersdunne REBCO-laag. Die laag moet kristallijn, homogeen en perfect uitgelijnd zijn. Daarvoor zijn diverse depositietechnieken gebruikt, maar gepulste laserdepositie (PLD), uitgevoerd met excimeerlasers, levert de beste films op voor toepassingen tot 20 Tesla en hoger. PLD was ooit een laboratoriumtechniek. Lasers die enkele uren per dag op lage frequentie werden gebruikt. Maar de HTS-hausse heeft geleid tot industriële PLD-fabrieken die honderden kilometers tape per jaar produceren. Een typische fusiereactor vraagt om 40.000 m² REBCO-film, een oppervlak ter grootte van zes voetbalvelden.

De LEAP-lasers

Coherent speelt hierin een sleutelrol met zijn LEAP-serie excimeerlasers.
De bestaande industriestandaard, de LEAP 300 W, vormt al de ruggengraat van vrijwel alle grote HTS-tapeproducenten. Maar de groeiende vraag naar tape vereist een nieuwe sprong. De LEAP 600 W die werd geïntroduceerd in 2025 moet de bottleneck doorbreken.

De LEAP 600 brengt meerdere belangrijke verbeteringen samen in één systeem. Het uitgangsvermogen van 600 watt op een golflengte van 308 nanometer betekent een verdubbeling ten opzichte van eerdere generaties. Dankzij actieve on-the-fly gasinjectie gaat de laser bovendien tot drie keer zo lang mee, terwijl de doorvoersnelheid per PLD-lijn eveneens wordt verdubbeld. Tegelijkertijd zijn de kosten per watt verlaagd, wat relevant is omdat de magneten een aanzienlijk deel van de totale fusiekosten bepalen. Een bijkomend voordeel is dat de batchlengtes aanzienlijk kunnen worden vergroot doordat gasvervanging veel minder vaak nodig is.

Van fusie tot infrastructuur

Als fusie lukt, levert het vrijwel onbeperkte, CO₂-vrije energie. Dankzij compacte HTS-magneten kunnen toekomstige fusiecentrales zelfs in stedelijke gebieden of industrieterreinen worden gebouwd. Dat maakt grootschalige transmissielijnen overbodiger en vergroot de energie-infrastructuur.

De inzet van HTS-tapes gaat echter veel verder dan alleen kernfusie. Ze spelen een belangrijke rol in bijna verliesloze supergeleidende hoogspanningskabels en maken lichtere, efficiëntere magneten mogelijk in MRI- en NMR-systemen. Ook in deeltjesversnellers zorgen HTS-materialen voor hogere veldsterkten in compactere configuraties. Daarnaast bieden ze grote voordelen in transporttoepassingen, variërend van magneetzweeftreinen tot elektrische vliegtuigen en schepen die worden aangedreven door uiterst efficiënte HTS-motoren.

De wereldwijde vraag naar HTS-tape zal oplopen tot honderdduizenden kilometers, en PLD-lijnen die 24/7 draaien zijn daarvoor noodzakelijk. HTS-tapes hebben het potentieel om zowel kernfusie als tal van andere technologieën te transformeren. Maar dat kan alleen als de productie snel genoeg stijgt.