- De wetenschap achter kernfusie
- Komt de lang gekoesterde droom van onbeperkte schone energie binnenkort uit?
- China’s kunstmatige zon geeft bijna zeven keer zoveel hitte als de echte
- Steeds meer investeringen in kernfusie
- Wat zijn de voor- en nadelen van kernfusie?
- Een kijkje in de toekomst
De wereldwijde vraag naar energie neemt toe en we zijn nog steeds sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen die het milieu vervuilen en een grote oorzaak zijn van de klimaatverandering. Om onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen en onze energieproductiecapaciteit te verhogen, onderzoeken landen over de hele wereld manieren om duurzame elektriciteit te genereren – bijvoorbeeld door middel van zonne- en windenergie. Maar het grootste probleem met deze energiebronnen is dat ze niet stabiel zijn. Met andere woorden, wanneer de zon niet schijnt en de wind niet waait, wordt er geen energie gegenereerd.
Een effectief alternatief is kernenergie. Traditionele kerncentrales produceren echter energie door middel van kernsplijting, waardoor veel radioactief afval ontstaat, wat kan leiden tot een catastrofale kernsmelting. Denk bijvoorbeeld aan Fukushima en Tsjernobyl. Daarom proberen wetenschappers nu al een tijdje kernfusie-installaties te ontwikkelen, in de hoop deze onbeperkte bron van schone energie aan te kunnen boren. Kernfusie – wat jarenlang een theoretisch concept bleef met veel mislukte pogingen om stabiel plasma te produceren – is inmiddels een van de meest veelbelovende opties voor toekomstige energieproductie. En met recente doorbraken zijn we nu eindelijk dichterbij het verwezenlijken van duurzame kernfusie.
De wetenschap achter kernfusie
Wat is kernfusie nu precies? Om het antwoord te vinden moeten we eens kijken naar de ster in ons zonnestelsel – de zon. Fusie is een atomaire reactie die sterren als onze zon hun power geeft. Dit gebeurt door waterstofatomen onder immense druk te fuseren waardoor helium gevormd wordt. Wanneer deze atomen samensmelten komt er een enorme hoeveelheid energie vrij – energie die we zien als licht en voelen als warmte. Om deze reactie te laten plaatsvinden moeten waterstofatomen worden verwarmd tot extreem hoge temperaturen (in de zon is dat minstens 15 miljoen graden Celsius), waarna ze in plasma veranderen, een heet geïoniseerd gas, ook wel de vierde aggregatietoestand genoemd. Om stabiel plasma op aarde te creëren, moeten we waterstofisotopen als deuterium en tritium gebruiken, maar bij veel hogere temperaturen – meer dan 100 miljoen graden Celsius. Omdat zulke hoge temperaturen op aarde buitengewoon moeilijk te realiseren zijn, kunnen we nog geen gebruik maken van de voordelen van kernfusie.
De afgelopen jaren hebben wetenschappers twee belangrijke manieren onderzocht om stabiel plasma te bereiken. Bij de eerste – magnetische opsluiting – worden magnetische velden gebruikt om het plasma op veilige afstand te houden van de wand van de reactor. Dit gebeurt meestal met donutvormige reactoren als tokamaks en stellarators. In de tweede benadering, de zogenaamde traagheidsopsluiting, gebruiken onderzoekers laserstralen om de buitenste laag van een materiaal te verwarmen dat vervolgens explodeert, waardoor een naar binnen bewegend compressiefront of implosie wordt veroorzaakt. Hierdoor wordt het binnenste deel van het materiaal verwarmd, waardoor condities ontstaan waarin fusie kan plaatsvinden.
Komt de lang gekoesterde droom van onbeperkte schone energie binnenkort uit?
Energieopwekking uit kernfusie bevindt zich nog in de onderzoeksfase, maar wetenschappers over de hele wereld doen er alles aan om deze innovatie zo snel mogelijk haalbaar te maken. In 2017 publiceerde het Nederlands instituut voor fundamenteel energieonderzoek (Dutch Institute for Fundamental Energy Research – DIFFER) een onderzoek met een veelbelovende oplossing voor toekomstige fusiereactoren. Vanwege hoge temperaturen moeten de muren van een reactor meestal na een paar dagen worden vervangen, wat betekent dat de fusiereactie moet worden gestopt. Maar het team van DIFFER voerde in samenwerking met de Universiteit van Gent een experiment uit waarbij ze de wand bedekten met een dunne laag vloeibaar metaal. Terwijl het plasma in de wand opwarmt, ontstaat er een dampwolk boven de vloeistoflaag. Deze damp vangt de energie uit het plasma op en verspreidt deze over een groter gebied, waardoor de wandoppervlaktetemperatuur stabiel blijft.
Naast Nederland heeft ook het Verenigd Koninkrijk een belangrijke doorbraak gemaakt in kernfusieonderzoek. In 2018 maakte Tokamak Energy, een in Engeland gevestigd bedrijf en een van ‘s werelds leidende kernfusieondernemingen, bekend dat haar reactor, ST40, een plasmatemperatuur van meer dan 15 miljoen graden Celsius had bereikt. Voor fusiereacties op aarde moet ST40 echter een plasmatemperatuur van 100 miljoen graden Celsius bereiken – bijna zeven keer heter dan de kern van de zon. In hun laatste experiment gebruikte het team van Tokamak Energy een proces waarbij energie vrijkomt in de vorm van ringen die plasma bevatten. Deze ringen slaan in elkaar en produceren magnetische velden om het plasma onder controle te houden. ST40 is de derde reactor geproduceerd door Tokamak Energy en vergeleken met andere reactoren is deze een stuk kleiner. Hoewel er nog allerlei uitdagingen overwonnen moeten worden en er enorme investeringen nodig zijn, wil het bedrijf ervoor zorgen dat kernfusie tegen 2030 haalbaar is. “De wereld heeft overvloedige, beheersbare, schone energie nodig”, zegt de medeoprichter van het bedrijf, David Kingham.
Een andere belangrijke ontdekking komt van een team van Amerikaanse en Duitse onderzoekers. Ze maakten gebruik van de Wendelstein 7-X (W7-X) stellarator in Duitsland voor het produceren van stabiel, hoogpresterend plasma. Een stellarator lijkt op een tokamak maar het verschil is dat de stellarator continu met een lager ingangsvermogen werkt, maar het is moeilijker om te bouwen. “De Wendelstein 7-X ziet er heel wat rommeliger uit: een soort wokkel die in een rondje is gelegd, met een vijftigtal ongewoon gevormde magneetspoelen eromheen. Dankzij de bijzondere constructie van de reactor kan een plasma erin veel langer in stand blijven. Nieuwe hardware moet ervoor zorgen dat een plasma van 100 seconden mogelijk wordt. Bovendien is de reactor uitgerust met meer camera’s en meetapparatuur om het plasma in de gaten te houden”, aldus een artikel in het tijdschrift De Ingenieur.
Om toekomstige stellaratoren te optimaliseren, hebben de wetenschappers experimenten uitgevoerd met behulp van een systeem bestaande uit “magnetische ‘trim’-spiralen” en hebben zij aangetoond in staat te zijn een stabiel plasma te garanderen en de algehele prestaties van de Wendelstein-reactor te verbeteren.
China’s kunstmatige zon geeft bijna zeven keer zoveel hitte als de echte
Ook China is een belangrijke speler in de wereldwijde nucleaire fusierace. Tijdens een experiment dat werd uitgevoerd aan het Instituut voor Plasmafysica in de Chinese provincie Anhui, slaagden wetenschappers erin om een plasmatemperatuur van 100 miljoen graden Celsius tien seconden lang te behouden. Dit lijkt misschien niet zo lang, maar het is een zeer belangrijke ontwikkeling. De ‘kunstmatige zon’ is in feite een ronde metalen reactor met de naam Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST). Om het plasma op hoge temperaturen te houden, maakt EAST gebruik van magnetische opsluiting. Er is veel energie voor nodig.
Tijdens het laatste experiment had China’s kunstmatige zon bijvoorbeeld meer dan 10 megawatt aan energie nodig – wat genoeg is om 1.640 huizen in de VS een jaar lang van stroom te voorzien. China’s volgende, zeer ambitieuze stap is het ontwikkelen van een nog krachtigere en grotere reactor om de plasmatemperatuur met minder energieverbruik veel langer te handhaven.
Het produceren van energie met minimale input is ook het hoofddoel van nog een ander fusieproject. De Internationale Thermonucleaire Experimentele Reactor (ITER) wordt beschouwd als het grootste kernfusieproject ter wereld en wordt door 35 landen ondersteund. De bouw van ITER begon in 2010 in Zuid-Frankrijk, op een site waarop 39 gebouwen komen te staan waarvan het Tokamak-gebouw met zeven verdiepingen de belangrijkste zal zijn. De fusiereactor wordt in 2025 geactiveerd en moet de eerste reactor worden die meer energie genereert dan hij verbruikt. Het is de bedoeling dat de reactor een energie-input van 50 megawatt zal gebruiken en gedurende minstens zes of zeven minuten 500 megawatt energie zal genereren.
Kernfusie wordt nog steeds als een duur experiment beschouwd, maar MIT-wetenschappers zijn vastberaden om fusie tot een levensvatbare energiebron te maken. In samenwerking met de privé-startup Commonwealth Fusion Systems (CFS) willen ze hogetemperatuur-supergeleiders gebruiken om een fusiereactor te ontwikkelen die meer energie produceert dan er verbruikt wordt om de reactie te starten. Deze supergeleidende materialen kunnen krachtige magnetische velden creëren om plasma bij hoge temperaturen te stabiliseren. Volgens Bob Mumgaard, de CEO van CFS, “is het streven om op tijd een werkende elektriciteitscentrale te hebben om de klimaatverandering te bestrijden”. Het team is van mening dat dit over 15 jaar kan gebeuren.
Steeds meer investeringen in kernfusie
MIT’s inspanningen om kernfusie algemeen beschikbaar te maken trokken de aandacht van het Italiaanse gas- en oliebedrijf Eni. In 2018 maakte Eni bekend dat het $50 miljoen wil investeren in het onderzoek van CFS en MIT.
Bedrijven en startups over de hele wereld investeren miljarden in onderzoek om te bewijzen dat fusie een haalbare bron van schone energie is. Zo investeren landen die aan ITER in Frankrijk werken $22 miljard om de tokamak-reactor te bouwen. Verder heeft de Canadese overheid $37,5 miljoen geïnvesteerd in het kernfusie-technologiebedrijf General Fusion. Naast het feit dat deze investeringen de ontwikkeling van baanbrekende technologie mogelijk maken die de energievoorziening van de wereld zal transformeren, komen er dankzij dit geld bovendien 400 nieuwe banen bij.
Wat zijn de voor- en nadelen van kernfusie?
Op basis van de enorme bedragen die in kernfusieprojecten worden geïnvesteerd, is het duidelijk dat het een peperdure aangelegenheid is. Het kost bijvoorbeeld $15.000 per dag om de EAST-reactor in China aan te zetten. Een paar miljoen dollar is niets als het gaat om kernfusie. Naast geld kosten fusieprojecten ook enorm veel tijd. Volgens sommigen duurt de ontwikkeling van een commerciële fusiereactor altijd een paar decennia. Maar fusie-energie biedt ons mogelijkheden om onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen en de gevolgen van klimaatverandering terug te dringen, en dat is heel wat waard.
Kernfusie wordt veelal gezien als de ideale energiebron, maar nucleaire ongelukken in het verleden, zoals de kernramp in de Japanse Fukushima kerncentrale in 2011 en die van Tsjernobyl in Oekraïne in 1986, hebben tot grote bezorgdheid geleid over de veiligheid van kernenergie. 80 procent van de fusie-energie komt vrij in de vorm van neutronen. Zodra deze deeltjes in de reactorcomponenten slaan, produceren ze radioactief afval. Hoewel de hoeveelheid radioactief afval die tijdens een fusiereactie geproduceerd wordt veel lager is dan bij kernsplijting, is het nog steeds gevaarlijk. Het kan wel 120 jaar lang radioactief blijven en voor grote problemen zorgen als het per ongeluk in de lucht of in het water terechtkomt. Wat kernfusie veiliger maakt is dat je het proces makkelijker onder controle kunt houden en het indien nodig kunt stopzetten. Als er tijdens de reactie een storing optreedt, zou het plasma afkoelen waardoor een meltdown wordt vermeden. Uiteraard is veiligheid belangrijk en moeten bedrijven en onderzoekers die betrokken zijn bij kernfusieprojecten de juiste voorzorgsmaatregelen nemen, hun technologie testen en bewijzen dat het daadwerkelijk schoon en duurzaam is.
Een kijkje in de toekomst
Aangezien de wereldbevolking blijft toenemen en de steden in de toekomst overvol raken, neemt ook de energiebehoefte sterk toe. Maar onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen zal de effecten van de aanhoudende klimaatverandering alleen maar verergeren. Toch hoeft de toekomst er niet apocalyptisch uit te zien. Niet als wetenschappers ons een overvloedige bron van schone energie kunnen bieden – in de vorm van kernfusie.
Fusiereactoren kunnen genoeg energie produceren om schepen, vliegtuigen en zelfs de ruimtevaart van power te voorzien. Hoewel sommigen voorspellen dat fusie-energie pas in 2050 commercieel beschikbaar zal zijn, kunnen innovatieve ideeën en nieuwe technologieën de ontwikkeling van deze technologie versnellen. Mike Delage, de chief technology officer van General Fusion, zegt: “als je de kennis hebt om een energiecentrale te bouwen, kun je die overal bouwen”. Fusie-energie heeft ook een aantal potentiële economische implicaties. Landen die het produceren en commercialiseren kunnen bijvoorbeeld aanzienlijke voordelen halen uit goedkopere elektriciteit. De commercialisering van fusie-energie kan 15 jaar, maar ook nog 30 jaar duren. Maar dat het de fossiele brandstoffen-sector en traditionele energiesystemen zal verstoren is een ding dat zeker is.
