Kernfusie zou meer energie kunnen opwekken dan enig ander proces dat op aarde kan worden geproduceerd. Shutterstock
Er is grote opwinding ontstaan over recente resultaten van de Joint European Torus (JET) faciliteit in het Verenigd Koninkrijk, die erop duiden dat de droom van kernfusie steeds dichter bij de werkelijkheid komt. We weten dat kernfusie werkt – het is het proces dat de zon van energie voorziet en de aarde van warmte en licht voorziet. Maar decennia lang is het moeilijk gebleken om van wetenschappelijke laboratoriumexperimenten over te stappen op duurzame energieproductie.
Het fundamentele doel van kernfusie is atoomkernen samen te laten smelten tot een andere, zwaardere kern – waarbij energie vrijkomt. Dit is anders dan bij kernsplijting, waarbij een zware kern, zoals uranium, in kleinere wordt gesplitst, waarbij ook energie vrijkomt.
Een belangrijke moeilijkheid was het proces om lichte atomen, isotopen van waterstof of helium, samen te smelten. Aangezien zij elektrisch geladen zijn en elkaar afstoten, verzetten zij zich tegen samensmelting, tenzij de kernen snel genoeg bewegen om fysiek zeer dicht bij elkaar te komen – hetgeen extreme omstandigheden vereist. De zon bereikt dit in haar kern dankzij haar immense gravitatievelden en haar enorme volume.
Een van de methoden die in laboratoria op aarde worden gebruikt is “traagheidsopsluiting”, waarbij een minuscuul bolletje fusiebrandstof van ongeveer een tiende van een centimeter in diameter van buitenaf wordt verhit en samengeperst met behulp van laserenergie. In de afgelopen jaren is met deze techniek bemoedigende vooruitgang geboekt, misschien wel het meest in het oog springend is die van de National Ignition Facility in de VS, waar vorig jaar een fusie-rendement van 1,3 miljoen Joule (een maat voor energie) werd gemeld. Hoewel dit een vermogen van 10 quadriljoen Watt opleverde, duurde het slechts een fractie (90 triljoenste) van een seconde.
Een andere techniek, “magnetische opsluiting”, is op grotere schaal toegepast in laboratoria over de hele wereld, en wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende routes om in de toekomst fusie-energiecentrales te realiseren. Hierbij wordt gebruik gemaakt van fusiebrandstof in de vorm van een heet plasma – een wolk van geladen deeltjes – die wordt opgesloten door sterke magnetische velden. Om de voorwaarden te scheppen waaronder fusiereacties kunnen plaatsvinden, moet het opsluitingssysteem de brandstof gedurende voldoende tijd op de juiste temperatuur en dichtheid houden.
Hierin ligt een belangrijk deel van de uitdaging. De kleine hoeveelheid fusiebrandstof (meestal slechts enkele grammen) moet worden verhit tot enorme temperaturen, in de orde van grootte van 10 maal heter dan het centrum van de zon (150 miljoen °C). En dit moet gebeuren met behoud van de opsluiting in een magnetische kooi om de energie-output op peil te houden.
Binnenaanzicht van de JET tokamak.
EFDA-JET/wikipedia, CC BY-SA
Er kunnen verschillende machines worden gebruikt om te proberen deze magnetische opsluiting van het plasma te behouden, maar de meest succesvolle tot nu toe is het zogenaamde “tokamak”-ontwerp, dat gebruik maakt van een torus (donutvorm) en complexe magnetische velden om het plasma op te sluiten, zoals gebruikt in de JET-faciliteit.
Kleine stap of grote sprong?
De recente resultaten betekenen een echte stap voorwaarts in het streven naar fusie-energie. De in totaal 59 miljoen Joule aan energie, geproduceerd over een periode van vijf seconden, leverde een gemiddeld fusievermogen op van ongeveer 11 miljoen Watt. Hoewel dit slechts genoeg is om ongeveer 60 waterkokers te verwarmen, is het toch indrukwekkend – het creëert een energie-output die 2,5 maal zo groot is als het vorige record, dat in 1997 werd gevestigd (ook in de JET-faciliteit, waarbij 22 miljoen joule werd bereikt).
Het succes van JET is het hoogtepunt van jaren van planning en een zeer ervaren team van toegewijde wetenschappers en ingenieurs. JET is momenteel de grootste tokamak ter wereld, en het enige apparaat dat gebruik kan maken van zowel deuterium- als tritiumbrandstof (beide isotopen van waterstof).
Het ontwerp van de machine, die gebruik maakt van kopermagneten die snel opwarmen, betekent dat zij alleen kan werken met plasma-uitbarstingen van maximaal een paar seconden. Om de stap te kunnen maken naar langer aanhoudende operaties met hoog vermogen, zijn supergeleidende magneten nodig.
Gelukkig is dit het geval in de ITER-faciliteit, die momenteel in Zuid-Frankrijk wordt gebouwd in het kader van een internationale inspanning waaraan 35 landen deelnemen en die nu voor 80% voltooid is. De recente resultaten hebben dan ook veel vertrouwen gegeven in het engineeringontwerp en de fysische prestaties voor het ontwerp van de ITER-machine, eveneens een magnetische opsluiting, die 500 miljoen Watt fusievermogen moet produceren.
Er zijn echter nog andere belangrijke uitdagingen. Daartoe behoren de ontwikkeling van geschikte duurzame materialen die bestand zijn tegen de intense druk in de machine, het hanteren van de enorme vermogensafvoer en, wat het belangrijkste is, het opwekken van energie die economisch concurrerend is met andere vormen van energieproductie.
Het bereiken van opmerkelijke vermogens en het volhouden daarvan gedurende meer dan zeer korte perioden is al decennia lang de grootste uitdaging gebleken bij kernfusie. Als dit uiteindelijk niet wordt opgelost, kan een eventuele fusie-elektriciteitscentrale eenvoudigweg niet functioneel worden gemaakt. Daarom zijn de resultaten van JET een belangrijke mijlpaal, zij het slechts een stap op de goede weg.
De bouw van ITER in 2018.
Oak Ridge National Laboratory, CC BY-SA
De reuzensprong zal komen met het opschalen van de huidige fusierealisaties in volgende fusiesystemen, zoals ITER en vervolgens in demonstratiecentrales daarbuiten. En dit zou in de niet al te verre toekomst binnen bereik moeten liggen, met als streefdatum de exploitatie in de jaren 2050 of mogelijk iets eerder.
Cruciale voordelen
Er staat veel op het spel. Fusie produceert meer energie per gram brandstof dan enig ander proces dat op aarde kan worden gerealiseerd. Enkele van de belangrijkste voordelen van fusie zijn dat de producten van het proces helium en neutronen zijn (deeltjes die naast protonen de atoomkern vormen) – er komt geen kooldioxide of andere broeikasgassen vrij. De ruwe brandstoffen zijn deuterium, dat voorkomt in zeewater, en lithium – dat eveneens overvloedig aanwezig is en wordt aangetroffen in uitgestrekte zoutvlaktes. De potentiële fusie-energie die vrijkomt uit het lithium dat in één laptopbatterij en een badkuip water zit, is naar schatting gelijk aan ongeveer 40 ton steenkool.
Fusie produceert wel enige radioactiviteit in de materialen waaruit de reactor bestaat. Maar dit zal naar verwachting niet zo lang of intens zijn als het
radioactief afval geproduceerd door kernsplitsing – waardoor het mogelijk een veiliger en smakelijker keuze is dan conventionele kernenergie.
Uiteindelijk werd Rome niet in één dag gebouwd. Verschillende andere aspecten van het menselijk vernuft, zoals de luchtvaart, hebben historisch gezien veel tijd nodig gehad om tot bloei te komen. Dat betekent dat stappen vooruit enorm belangrijk zijn en terecht gevierd moeten worden.
Fusie gaat onverbiddelijk vooruit en we komen steeds dichter bij de verwezenlijking van de ooit zo verre droom van commerciële fusie-energie. Op een dag zal het een bijna onbeperkte voorraad koolstofarme energie opleveren voor vele toekomstige generaties. Dus hoewel het nog niet zover is, komt het er wel aan.
Lee Packer ontvangt financiering van de European Physical Sciences Research Council en het European Consortium for the Development of Fusion Energy
Paul Norman werkt niet voor, geeft geen advies aan, heeft geen aandelen in, en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat hebben bij dit artikel, en heeft buiten zijn academische aanstelling geen andere relevante affiliaties bekend gemaakt.
