Binnen de wereld van kernfusie is er een bekende mop: “kernfusie is altijd nog maar dertig jaar ver weg”. Wetenschappers zijn immers al bijna een eeuw lang druk in de weer om de energiebron tot leven te wekken. Maar de laatste jaren lijkt er schot in de zaak te komen, en dan wel uit onverwachte hoek. Private firma’s denken immers dat zij het beter kunnen dan de publieke sector.
Toen de Britse astrofysicus Arthur Eddington in de jaren 1920 voorspelde dat sterren energie produceren door de fusie van waterstofkernen, legde hij de fundering voor een belangrijke tak van de wetenschappen. In het decennium daarop toonde een – toen nog onbekende – wetenschapper genaamd Mark Oliphant, een student van die andere beroemde fysicus Ernest Rutherford, voor het eerst aan dat ook mensen de kracht van de sterren zouden kunnen gebruiken.
Oliphant had namelijk deuteriumkernen, een isotoop van waterstof met één extra neutron in de kern, in een deeltjesversneller laten botsen, waarbij zowel helium-3 en tritium werden geproduceerd, respectievelijk een isotoop van helium met een neutron minder dan ‘normale’ helium, en een isotoop van waterstof met twee neutronen. De deuteriumkernen waren samengesmolten, of gefuseerd, tot zwaardere deeltjes.
De belangrijkste ontdekking van Oliphant was echter dat daarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkwam. Daarmee was het startschot gelost: de wetenschapper had bewezen dat Eddingtons theorie over kernfusie wel eens zou kunnen kloppen. Nog belangrijker, hij had aangetoond dat mensen dat proces konden nabootsen, hoewel dat toen nog op minuscule schaal was.
Tokamaks en stellarators
Hoewel Oliphant had aangetoond dat kernfusie wel degelijk mogelijk was, duurde het nog een poosje voordat onderzoekers begonnen aan het echte werk: het proces op grote schaal repliceren op aarde. In de jaren 1950 kwam er schot in de zaak.
Sovjetwetenschappers Andrei Sakharov en Igor Tamm kwamen in 1950 eerst met een ontwerp op de proppen voor een tokamak, een torusvormig apparaat waarin plasma doormiddel van krachtige magnetische velden wordt beheerst, zodat de atoomkernen die zich daarin bevinden kunnen samensmelten.
Slechts een jaar later bedacht Lyman Spitzer, een Amerikaanse natuurkundige, een ander ontwerp, de stellarator. Het ontwerp van Spitzer maakte ook gebruik van magnetische velden om plasma vast te houden, maar deed dat op een andere manier: in plaats van een torusvorm, hebben stellarators eerder iets weg van een verdraaide donut. Stellarators zouden minder geïnjecteerd vermogen nodig hebben om het plasma in stand te houden, moesten een grotere ontwerpflexibiliteit hebben, en zouden sommige aspecten van de plasmabesturing makkelijker moeten maken.
Uiteindelijk bleken tokamaks uit experimenteel onderzoek efficiënter te zijn, waardoor veruit het meeste onderzoek dat wordt uitgevoerd naar kernfusie vandaag de dag met deze vorm van reactor wordt gedaan.
Overheden leidden eerste etappe van onderzoek
Al snel werd echter duidelijk dat de technologie niet zomaar kon worden ontwikkeld. De uitwerking van kernfusiereactoren bleek een enorme uitdaging, die niet zomaar door één land zou kunnen worden overwonnen. Om die reden sloegen overheden doorheen de wereld vanaf de jaren 1970 de handen in elkaar. In Europa begonnen de mogendheden bijvoorbeeld in 1973 aan het ontwerp van de Joint European Torus (JET), een reactor die uiteindelijk in 1983 operationeel werd.
Dat project – een tokamak overigens – bleek uiteindelijk een grote stap voorwaarts: in de experimentele reactor werd in 1997 een reactie van 22 megajoule opgewekt, tot dan toe een energierecord voor kernfusiereactoren. Het duurde maar liefst 25 jaar voordat de JET zijn eigen record echter kon breken, toen het eerder dit jaar een reactie genereerde van 59 megajoule. Daarbij moet wel worden vermeld dat reacties van de JET (en alle andere fusiereactoren) nog altijd meer energie vergen dan zij produceren.
Met andere woorden: ondanks een samenwerking van de gehele Europese gemeenschap, is het nog altijd niet gelukt om een fusiereactor te creëren die kan gebruikt worden als energiebron.
Daar moet binnenkort echter verandering in komen met de opbouw van de Internationale Thermonucleaire Experimentele Reactor (ITER) van 20 miljard euro, een tokamak die in Zuid-Frankrijk wordt gebouwd. Eenmaal het kolossale project, een samenwerking tussen China, de EU, India, Japan, Korea, Rusland en de Verenigde Staten, operationeel is, zal het uiteindelijk (gebaseerd op data van JET) het zogenaamde ‘break-evenpunt’ passeren en meer energie produceren dan erin wordt gepompt.
Dat is echter allesbehalve zeker, en er wordt verwacht dat er pas netto energiewinst kan bereikt worden vanaf ongeveer het jaar 2035, maar er zullen daarna nog lang experimenten worden uitgevoerd. Dat betekent dat de commercialisatie van kernfusie pas vanaf de jaren 2040, of zelfs later, kan worden verwacht, waardoor de aloude mop van “30 jaar ver weg” nog altijd van toepassing lijkt. Maar recente ontwikkelingen op de private markt zouden daar wel eens verandering in kunnen brengen.
De private sector kan de reddende engel zijn
Het is intussen duidelijk dat de publieke sector zijn steentje heeft bijgedragen: de technologie staat op het punt om meer te worden dan een belofte en misschien zal ITER daarvoor zorgen. Maar ook de private sector wil nu meedoen aan de tweede – en hopelijk laatste – etappe.
De markt voor private bedrijven is sterk aan het groeien: er zijn intussen meer dan dertig ondernemingen die de heilige graal van energie nastreven, en om de paar maanden komt daar weer eentje bij.
En hoewel die bedrijven allemaal een verschillende aanpak hanteren – de klassieke tokamaks en stellarators, maar ook apartere ontwerpen zoals een bolvormige tokamak – hebben de meeste onder hen één ding gemeenschappelijk: ze geloven dat zij kernfusie in of zelfs voor de jaren 2030 al op de markt kunnen brengen.
Maar liefst 93 procent van de kernfusiebedrijven die aangesloten zijn bij de Fusion Industry Association, de internationale handelsvereniging voor fusiebedrijven, gaf dat eerder dit jaar aan.
Om dat enorm ambitieuze doel te bereiken, wordt steeds meer geld van particuliere investeerders in de sector gepompt. Volgens de Fusion Industry Association bedroeg dat in 2021 zo’n 3 miljard dollar, een opvallende stijging van 50 procent tegenover het jaar ervoor. Daarvan zouden zes bedrijven minstens 200 miljoen hebben ontvangen.
Die toenemende competitiviteit is goed nieuws: door niet te rekenen op enorme projecten die decennialang duren en miljarden kosten, kunnen bedrijven tonen dat het efficiënter kan. Een industrie die in het laatste decennium van dezelfde voordelen genoot, is de ruimtevaart. Het logge staatsapparaat van NASA werd in de VS op dramatische wijze ingehaald door private bedrijven, voornamelijk door Elon Musks SpaceX. Daardoor zijn lanceerkosten sinds de millenniumwisseling al met een grootorde gedaald, een trend die in de nabije toekomst verder zou kunnen worden gezet met de komst van vlaggenschip Starship. De fusie-industrie belooft nu dezelfde transformatie te ondergaan.
De race is begonnen
Het startschot is nu gegeven en bedrijven proberen in allerijl de meest efficiënte aanpak te vinden om fusie tot stand te brengen. Twee jaar geleden zette Vlaamse investeringsfirma Gimv bijvoorbeeld samen met Amazon-topman Jeff Bezos in op het bedrijf General Fusion. Dat wil in het Britse Oxfordshire tegen 2025 een demonstratiereactor bouwen, een project dat ongeveer 400 miljoen dollar zou moeten kosten – 50 keer goedkoper dan ITER.
Daarbij valt op dat General Fusion geen tokamak, noch een stellarator bouwt. In de plaats wordt ‘gemagnetiseerde kernfusie’ gebruikt, een proces waarbij waterstofplasma geïnjecteerd wordt in een cilinder, die omgeven is door een wand van vloeibaar metaal. Vervolgens worden een groot aantal pneumatische zuigers gebruikt om dat plasma samen te persen, totdat de waterstofkernen fuseren.
De energie die daarbij vrijkomt, moet dan door het vloeibare metaal worden overgedragen naar water om stoom te produceren, waarmee ten slotte een turbine wordt aangedreven om elektriciteit op te wekken.
Een andere startup die aan de technologie werkt, is Zap Energy. Ook dat bedrijf wil afstappen van het dure ontwerp van de tokamak. In plaats van magneetspoelen uit koper te installeren om het plasma te controleren, gaat Zap Energy gebruikmaken van de zogenaamde ‘z-pinch’-methode. Daarbij wordt gebruikgemaakt van het elektromagnetische veld dat door het plasma zelf wordt opgewekt om het te controleren.
De methode is niet nieuw: er werd in de jaren 1950 al onderzoek naar gedaan. Toen bleek die niet zo populair te zijn, omdat het minder stabiel zou zijn dan andere benaderingen. Toch lukte het wetenschappers in 2019 om het probleem op te lossen, waardoor Zap Energy ervan overtuigd is dat dit, en niet tokamaks, wel eens de toekomst zou kunnen zijn. Met deze techniek zouden reactoren bovendien klein genoeg kunnen worden om zelfs in de garage van een huis te plaatsen.
Andere bedrijven kiezen dan weer voor de tokamak-aanpak. Het Britse bedrijf Tokamak Energy kondigde eerder dit jaar zelfs aan dat het met de intussen vertrouwde technologie een primeur beet had: het werd in maart het eerste privébedrijf dat een plasmatemperatuur van 100 miljoen graden Celsius bereikte. Dat is belangrijk, want vanaf die temperatuur kan fusie effectief op commerciële schaal plaatsvinden.
Wat nu nog moet gebeuren, is dat één van de meer dan dertig bedrijven die aan de veelbelovende technologie werkt, meer energie uit een reactie kan halen dan het erin stopt. Eenmaal een bedrijf daarin slaagt, is het hek van de dam: kernfusie zou niet vervuilend zijn, produceert geen kernafval en vereist bovendien (bijna) geen exotische materialen zoals uranium. Bovendien zou de voorraad brandstof praktisch onuitputbaar zijn, althans als één klein probleem wordt opgelost: de wereldwijde tritiumvoorraad, een van de twee isotopen die nodig zijn om kernfusiereactoren aan te drijven, is zeer beperkt en dreigt op te raken.
(kg)
