Beeld: Het hart van de National Ignition Facility (NIF) diende ook als decor voor de machinekamer van het Starship Enterprise in de film Star Trek: Into Darkness uit 2013.
Amerikaanse wetenschappers maakten op 12 december 2022 bekend dat een kernfusie-experiment in het National Ignition Facility (NIF) in Livermore in Californië voor het eerst meer energie had opgeleverd dan er werd ingestopt. De 192 lasers van de installatie leverden 2,05 megajoule die werd ingestraald op een klein bolletje met daarin een mengsel van twee waterstofisotopen: deuterium en tritium. De fusie van die deeltjes, waarbij helium ontstaat, leverde een output van 3,15 megajoule. Jennifer Granholm, de Amerikaanse minister van Energie, noemde het een van de belangrijkste wetenschappelijke mijlpalen van deze eeuw.
Het bereiken van fusion ignition door de NIF is inderdaad een aanzienlijk succes, maar in de hoerastemming rondom de bekendmaking raakte één feit een beetje op de achtergrond: er was 322 megajoule nodig om de 192 lasers op te laden om het doel te beschieten. Netto kostte het experiment dus veel meer energie dan met de fusie van de deeltjes werd opgewekt. Granholm erkende dat er nog een lange weg te gaan is voordat kernfusie de lichten zal laten branden in de Verenigde Staten en de rest van de wereld.
Kernsplijting leverde vorig jaar zo’n tien procent van alle elektriciteit in de wereld. Het produceert ook een hoop hoogradioactief afval, waarvoor nog geen effectieve oplossing bestaat. Kernfusie heeft daarentegen de potentie om een vrijwel onuitputtelijke bron van schone energie te worden zonder CO2-uitstoot en zonder enorme hoeveelheden radioactief afval.
Een groot aantal kernfusiecentrales zou in principe alle fossiele brandstoffen overbodig kunnen maken en daarmee een halt kunnen toeroepen aan de opwarming van het klimaat. Helaas, er bestaan nog geen centrales die via kernfusie schone energie kunnen opwekken.
Geen alternatief
Kernfusie, de samensmelting van lichtere deeltjes tot zwaardere deeltjes, kan in sterren plaatsvinden bij een temperatuur van vijftien miljoen graden Celsius. Dat is mogelijk dankzij de enorme druk van vele honderden miljard atmosfeer (één atmosfeer is de aardse luchtdruk op zeeniveau, red.). Op aarde kan je zo’n druk niet realiseren en fuseren deuterium en tritium pas bij een temperatuur van honderdvijftig miljoen graden Celsius. Een instrument dat zo’n hoge temperatuur kan weerstaan, is een van de grote uitdagingen bij het temmen van kernfusie op aarde. Niemand kan precies zeggen wanneer de eerste commerciële kernfusiecentrale in gebruik wordt genomen.
Jef Ongena gelooft dat kernfusie een rol moet spelen in een Europa zonder CO2-uitstoot. De onderzoeksdirecteur van het Laboratorium voor Plasmafysica van de Koninklijke Militaire School ziet geen alternatief. ‘Europa heeft sinds 2000 zo’n 1.000 miljard euro geïnvesteerd in wind- en zonne-energie. Die leveren niet meer dan drie procent van de primaire energiebehoefte. Om in 2050 volledig op hernieuwbare energie te draaien, moeten we nog eens tienduizenden miljarden euro’s investeren. Dat zijn reusachtige bedragen.’ Volgens Ongena moet de EU de kerncentrales openhouden en investeren in kleine nucleaire reactoren.
En kernfusie? Die is volgens Ongena niet voor 2050 op grote schaal commercieel beschikbaar, maar hij benadrukt dat het met andere middelen óók niet zal lukken om de doelen van de Europese Green Deal te realiseren. ‘We hebben in oktober vorig jaar met een groep specialisten in Brussel gediscussieerd over net-zero, een economie die netto geen broeikasgassen meer uitstoot. De conclusie was dat we gelukkig mogen zijn als we in 2050 de helft van net-zero halen.’
Magnetische en traagheidsfusie
Er bestaan twee benaderingen in de kernfusie. De eerste heet Inertial Confinement Fusion (ICF) of traagheidsfusie, en die maakt gebruik van de traagheid van de materie. Het NIF in Californië gebruikt die benadering in combinatie met 192 zeer krachtige lasers. De deuterium- en tritiumdeeltjes bevinden zich in een bolletje met een doorsnee van één millimeter en worden razendsnel van alle kanten gecomprimeerd waardoor ze door hun traagheid niet de kans krijgen aan een reactie te ontsnappen. De lasers vuren een honderdtal picoseconden (een tien miljardste van een seconde) waardoor druk en temperatuur in het bolletje zo hoog oplopen dat de deeltjes fuseren. De energie die hierbij vrijkomt, is gelijk aan het verlies aan massa van de deeltjes volgens de formule E = mc2.
In december slaagden wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory er voor het eerst in om met een kernfusie-apparaat in een laboratorium een test uit te voeren die meer energie opleverde dan er door de lasers in werd gestopt. Je moet wel weten dat het NIF niet is gebouwd als proefinstallatie voor een kernfusiecentrale. De Amerikaanse ministeries van Energie en Defensie gebruiken ze voor de simulatie van processen die zich afspelen bij de explosie van kernwapens die ook gebruikmaken van kernfusie.
De tweede tak van kernfusie heet Magnetic Confinement Fusion (MCF) of magnetische fusie. In die benadering verhitten we de brandstof – het mengsel van deuterium en tritium – in een fusiereactor tot een plasma die krachtige magneten op zijn plaats houden. Geen enkel materiaal ter wereld is bestand tegen de 150 miljoen Celsius die nodig is voor de kernfusie. De magnetische velden moeten het superhete plasma buiten contact met de koude wanden van de reactor houden. Het meest gebruikte apparaat hiervoor is een cirkelvormige buis, de tokamak.
Commerciële centrales
Ongena gelooft dat de MCF-benadering in een tokamak eerder tot commerciële toepassingen zal leiden dan de ICF-benadering met lasers. Hij baseert zich onder meer op de experimenten met de Joint European Torus (JET) in Culham bij Oxford. ‘We hebben vorig jaar met JET in vijf seconden zestig megajoule opgewekt, dat is twintig keer meer dan wat het NIF bereikte met de explosie van het ene bolletje in december. Vooral die veel langere tijdsduur van de reacties is belangrijk. Commerciële kernfusiecentrales moeten ook gedurende langere tijden een reactie in stand houden.’
In het Zuid-Franse Cadarache werken ze al sinds 2010 aan de volgende stap in de MCF-benadering. Hier bouwen de EU, het Verenigd Koninkrijk, Japan, Zuid-Korea, China, India en Rusland de International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER (ook Latijn voor ‘de reis’). ‘ITER moet aantonen dat het wetenschappelijk en technisch mogelijk is kernfusie te gebruiken als een schone energiebron’, zegt Ongena. ITER is, na de bouw van het International Space Station van zo’n honderd miljard euro, het duurste wetenschappelijke experiment ooit. De kosten worden geschat op 22 miljard euro en ze kunnen aanzienlijk hoger uitvallen.
Waarschijnlijk zal het apparaat op zijn vroegst in 2030 klaar zijn. ‘In eerste instantie moet het met een verhittingsvermogen van vijftig megawatt gedurende tien minuten vijfhonderd megawatt opwekken’, zegt Ongena. Dat zal niet direct het geval zijn, Ongena verwacht die pas over tien tot vijftien jaar. Nu is ITER een wetenschappelijk experiment en geen centrale. Het vermogen dat in de tokamak wordt gegenereerd, zal niet worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.
Wetenschappers gebruiken de ervaringen met ITER voor de bouw van een demonstratiemodel voor een echte kernfusiecentrale met een tokamak die nog groter is dan die van ITER. Die zal ongeveer vijfentwintig keer meer thermische energie moeten leveren dan erin gaat: vijftig tot honderd megawatt input voor een productie van tweeduizend megawatt. De opgewekte hitte wordt dan gebruikt om stoom te produceren voor de aandrijving van een turbine die elektriciteit opwekt. Uiteindelijk levert tweeduizend megawatt aan thermisch vermogen achthonderd megawatt aan elektriciteit op, het equivalent van een kleine kolencentrale of tachtig grote windturbines bij een harde wind.
De EU hoopt in de tweede helft van de eeuw een demo-fusiereactor op te starten. Volgens de planning zal kernfusie dus zeker in de EU geen rol kunnen spelen om de net-zerodoelen te halen. En pas als de demo goed functioneert, kan de bouw van commerciële fusiecentrales beginnen.
Een snellere weg?
Een twintigtal start-ups heeft de afgelopen tien jaar honderden miljoenen euro’s opgehaald bij durfkapitalisten om een kortere en misschien goedkopere weg naar kernfusie te vinden. ‘De meeste start-ups maken gebruik van nieuwe supergeleidende materialen die nog niet beschikbaar waren toen ITER werd gepland. Met die materialen kan je magnetische spoelen maken die een zeer krachtig magnetisch veld hebben en bestand zijn tegen veel hogere temperaturen. Met een krachtiger magnetisch veld is het in principe ook mogelijk een kleinere tokamak te bouwen’, legt Ongena uit.
De meest optimistische voorspellingen komen van General Fusion, een Canadees bedrijf dat bij het Britse Center for Fusion Energy in Culham bij Oxford is begonnen. Het wil nog deze zomer beginnen met de bouw van een demonstratiefusiereactor die het al in 2025 in gebruik wil nemen. Topman Christofer Mowry zegt dat zijn bedrijf rond 2035 wil beginnen met de bouw van een volwassen kernfusiereactor. Ongena is sceptisch over de belofte van de Canadees. ‘Het zou prachtig zijn, maar ik investeer er geen cent in.’
De Magnetised Target Fusion van General Fusion gebruikt zeer sterke elektrische pulsen van ongeveer twintig milliseconden om wolken superheet plasma van deuterium en tritium te injecteren in een reactor waarvan de kern bekleed is met gesmolten lithium en lood. Na iedere injectie wordt de reactorkern door pistons/zuigers in elkaar geperst tot een kleiner volume waardoor de druk in het plasma toeneemt en de deuterium en tritium fuseren. De hitte die ontstaat, wordt geabsorbeerd en afgevoerd door de wand van lithium en lood en gebruikt om een stoomturbine aan te jagen die elektriciteit opwekt.
