Een ster in een vat: ultieme energiebron, maar hoe voorkomen we dat het vat smelt?

Wat is de warmste plaats in ons zonnestelsel? Veel mensen denken dat dit de zon is, maar dat klopt niet. Bijna dagelijks bereiken wereldwijd verspreide kernfusie-experimenten temperaturen van ongeveer 100 miljoen graden Celsius, bijna tien keer warmer dan de kern van de zon. Wetenschappers gebruiken deze experimenten om kernfusie beter te begrijpen als tussenstap naar het bouwen van reactoren die elektriciteit kunnen opwekken. De huidige experimenten gebeuren in reactorvaten met gelijkaardige vormen als toekomstige elektriciteitsproducerende reactoren, maar zijn meer dan twee keer kleiner. De openingsfoto toont JET in het Verenigd Koninkrijk, de wereldrecordhouder voor de productie van fusie-energie. De diameter van het donutvormige reactorvat van JET is ongeveer acht meter.

Hoewel huidige experimenten de omstandigheden van toekomstige reactoren zoveel mogelijk nabootsen, zijn de geproduceerde fusievermogens nog beperkt. Hierdoor blijft de warmtebelasting op de reactorwand laag genoeg zodat de wand niet smelt. Als we kernfusie willen gebruiken om elektriciteit op te wekken, moeten de geproduceerde fusievermogens sterk omhoog. Een deel van het onderzoek in de “Thermal and Fluids Engineering” groep aan de KU Leuven kadert in de enorme uitdaging om ervoor te zorgen dat het reactorvat niet smelt bij deze hoge vermogens.

Hoe werkt kernfusie?

Kernfusie is de energiebron van de zon. Om de zon na te bouwen op aarde, gebruiken we twee waterstofisotopen: deuterium en tritium. Beide atoomkernen hebben één positief geladen proton. Deuterium heeft daarnaast één neutron, terwijl tritium er twee heeft. Bij het samensmelten van de kernen ontstaat helium en komt er een neutron vrij.

Bij dit fusieproces gaat een deel van de massa (m) verloren. Deze wordt via Einsteins beroemde formule, E = mc²_, omgezet in energie (E). Omdat de lichtsnelheid (c = 300.000 km/s) enorm groot is, leidt een kleine afname van massa tot een gigantische hoeveelheid energie. Een half bad zeewater en de tritium die kan worden gemaakt uit de lithium in een laptopbatterij zijn voldoende voor de energiebehoeften van één persoon voor dertig jaar. In tegenstelling tot kernsplijting, het proces in huidige kernreactoren, leidt het neutron dat vrijkomt bij kernfusie niet tot verdere fusiereacties. Daardoor is kernfusie veilig. Bovendien produceert kernfusie slechts een beperkte hoeveelheid kortlevend radioactief afval en geen langlevend afval.

Extreem hoge temperaturen

Omdat de positief geladen kernen die bij een kernfusiereactie worden gebruikt elkaar sterk afstoten, moet de temperatuur in de reactor extreem hoog zijn. Bij deze hoge temperatuur hebben de deeltjes voldoende energie om toch dicht genoeg bij elkaar te komen. Je kan dit min of meer vergelijken met het werpen van een bal over een hoog net. Als je de bal niet genoeg snelheid geeft, geraakt hij niet over het net. Voor de afstoting tussen twee positief geladen kernen is dit effect nog extremer dan voor de bal, omdat de afstotingskracht sterk toeneemt naarmate de kernen dichter bij elkaar komen. Dit is vergelijkbaar met het dichterbij brengen van de positieve polen van twee magneten.

Hoewel atoomkernen positief geladen zijn, zijn atomen neutraal door de aanwezigheid van negatief geladen elektronen (blauwe deeltjes in de figuur hieronder). Bij een temperatuur ver onder 10.000 °C vormen de deuterium- en tritiumatomen moleculen en krijg je de linkse figuur. Als je de temperatuur opdrijft, breken eerst de moleculebindingen (middelste figuur) en uiteindelijk komen de elektronen zelfs los van de atomen (rechtse figuur). Deze mix van positieve ionen en negatieve elektronen wordt plasma genoemd. De temperatuur voor kernfusie is 150 miljoen graden Celsius zodat een plasma gecreëerd wordt.

Het probleem van de warmteafvoer

De geladen deeltjes kunnen we opsluiten met behulp van magnetische velden, zodat het extreem hete plasma geen direct contact maakt met de reactorwand. Dit gebeurt meestal in een donutvormige reactor, bekend als een tokamak, zoals te zien is op de openingsfoto.

Na een bepaalde tijd zijn de plasmadeeltjes niet langer magnetisch opgesloten en vliegen ze zeer snel naar een klein deel van de wand (zie figuur hieronder). Door het kleine oppervlak waarop de deeltjes terechtkomen is de warmtebelasting gigantisch. Deze warmtebelasting wordt immers uitgedrukt in Megawatt (MW) per vierkante meter (m²). Als het plasma ongehinderd zou stromen naar dit kleine contactoppervlak, krijgen we gemakkelijk een warmtebelasting van meer dan 50 MW/m² (situatie van de linkse doorsnede). Ter vergelijking, de typische warmtebelasting van een ruimtevaartuig bij terugkeer in de atmosfeer is 1 MW/m², wat een idee geeft van de catastrofale gevolgen voor de reactor.

Gelukkig helpt de fysica een handje. Wanneer de ionen en elektronen de reactorwand bereiken, binden ze terug en reflecteren ze als ongeladen atomen en moleculen (neutralen). Dit creëert een neutralenkussen voor de wand dat de warmtebelasting kan verlagen tot minder dan 5 MW/m² (situatie van de rechtse doorsnede). Je kan dit vergelijken met het houden van een spons onder een lopende kraan. Het water komt nu langs alle kanten uit de spons en verdeelt zich over een veel groter oppervlak. Omdat neutralen zichtbaar licht uitzenden, is dit neutralenkussen ook zichtbaar aan de rechterkant van de openingsfoto. Met een warmtebelasting van minder dan 5 MW/m² en voldoende koeling rond de reactor smelt de wand niet.

Rol van computermodellen

De uitdaging is dat de eigenschappen van dit neutralenkussen sterk afhangen van het ontwerp van de reactor. Zo beïnvloeden onder andere de vorm van de reactorwand en het magnetisch veld de warmtebelasting. Simulaties met computermodellen ondersteunen het ontwerp van toekomstige reactoren. De gekende fysica wordt in wiskundige modellen gegoten die de computer kan oplossen. Op die manier krijg je een digitale replica van de kernfusiereactor, waarmee we kunnen experimenteren zonder catastrofale gevolgen.

De meest nauwkeurige resultaten krijg je door alle individuele deeltjes (ionen, elektronen, atomen en moleculen) in de reactor te volgen met de computer. Dit gaat typisch over ongeveer 10²³ deeltjes. De rekentijd per deeltje is gemakkelijk meer dan een minuut, wat een totale rekentijd geeft van 10²³ minuten = 200 biljard jaar (een 2 met 17 nullen). Zelfs als je duizenden computers samen laat rekenen, zou je nog geen resultaat hebben voordat de zon al lang opgebrand is.

Gelukkig geeft een selectie van ongeveer een miljoen deeltjes al een voldoende nauwkeurig beeld. Als dan 1.000 computers samen rekenen, krijg je resultaten binnen een dag. Deze deeltjesmodellen staan bekend als kinetische modellen (linkerkant van figuur hieronder). De aanname van één minuut rekentijd per deeltje is een onderschatting en vaak duurt het toch meerdere dagen of zelfs weken om voldoende nauwkeurige resultaten te krijgen. Kinetische modellen zijn daarom bedoeld om accurate referentie-oplossingen te verkrijgen, maar zijn ongeschikt voor ontwerpberekeningen waarvoor de simulaties regelmatig herhaald moeten worden met verschillende parameters. 

In onze onderzoeksgroep ontwikkelen we modellen om het collectief gedrag van de deeltjes (met vooral een focus op de neutralen) te beschrijven, bekend als continuümmodellen (rechterkant van de figuur hieronder). Door de deeltjes op een slimme manier te groeperen, kunnen we vergelijkingen opstellen voor hun gemiddelde eigenschappen. De dichtheid geeft aan hoeveel deeltjes zich op een bepaalde plaats bevinden, de stroomsnelheid beschrijft hun gemiddelde bewegingssnelheid, en de temperatuur geeft een indicatie van hun gemiddelde kinetische energie. Deze continuümmodellen bieden doorgaans een voldoende nauwkeurige benadering voor de warmtebelasting en zijn minstens 1.000 keer sneller dan kinetische modellen, waardoor we binnen een dag resultaten verkrijgen met slechts één computer.

Blijft kernfusie voor elektriciteitsproductie voor eeuwig toekomstmuziek?   

Kernfusie heeft heel wat technologische uitdagingen. In huidige experimenten is de energie die vrijkomt bij kernfusie nog altijd lager dan de energie die nodig is om het plasma op te warmen. ITER (ITER - the way to new energy), de reactor die momenteel in Frankrijk wordt gebouwd en gepland is om op te starten in 2034, is ontworpen om 500 MW fusievermogen te produceren met een inputvermogen van 50 MW. Daarnaast ontstaan er steeds meer kernfusie-startups. Elektriciteitsproducerende reactoren zijn wellicht pas voor de tweede helft van de 21^ste eeuw. Of de techniek finaal zal doorbreken hangt af van de verdere kostenoptimalisatie van het ontwerp en van de waarde die de samenleving zal hechten aan de ecologische voetafdruk van de elektriciteitsproductie.

Computermodellen hebben bijgedragen aan enorme vooruitgangen in het kernfusieonderzoek en zullen een cruciale rol blijven spelen. Het versnellen van deze modellen is essentieel om ze bruikbaar te maken voor ontwerpberekeningen. Continuümmodellen maken het mogelijk om het probleem van de enorme warmtebelasting in toekomstige reactoren aan te pakken. Door toekomstige reactoren nu te ontwerpen, kunnen we ervoor zorgen dat kernfusie niet altijd dertig jaar in de toekomst zal blijven liggen.