Meer van dit soort content? Kies via deze link voor een van onze abonnementsformules!

Wetenschappers hopen dat kernfusiereactoren in de komende decennia de heilige graal van de energieproductie zullen worden. Door waterstofkernen in een reactor te laten samensmelten, komt een enorme hoeveelheid energie vrij, waarbij bovendien geen radioactief afval wordt geproduceerd. Maar om de technologie verder te ontwikkelen, moeten nog een aantal experimenten worden uitgevoerd. En dat dreigt de wereldwijde voorraad van tritium, een zeldzame isotoop van waterstof die cruciaal is voor kernfusie, op te souperen, nog voordat de technologie klaar is om op de markt te worden gebracht. 

In februari kondigden Europese wetenschappers aan een doorbraak te hebben bereikt voor de ontwikkeling van kernfusie toen de Joint European Torus (JET), een experimentele fusiereactor in Engeland, zo’n 59 megajoule aan energie produceerde tijdens een reactie van vijf seconden. Daarmee werd het vorige record van 22 megajoule, dat dateerde van 1997, meer dan verdubbeld.

Hoewel dat experiment nog altijd meer energie vergde dan het opbracht, meenden de wetenschappers die betrokken waren bij het project dat het desalniettemin een grote stap voorwaarts betekende. Volgens Fernanda Rimini, een van de onderzoekers die betrokken is bij het project, betekent het succesvolle experiment dat de volgende grote experimentele fusiereactor, de Internationale Experimentele Reactor (ITER), naar alle waarschijnlijkheid voorbij ‘break even’ zal kunnen draaien. Dat is het punt waarop een reactor meer energie produceert dan nodig is om de reactie op gang te krijgen.

ITER is een enorm project. De reactor, die al sinds 2007 wordt gebouwd in het zuiden van Frankrijk, zal hopelijk in 2025 beginnen met de eerste experimenten. Uiteindelijk hopen wetenschappers reacties op gang te krijgen met een vermogen van meer dan 500 megawatt: maar liefst het veertigvoudige van de JET-reactie. Bovendien verwachten zij tot tien keer meer energie te produceren dan de hoeveelheid die nodig is om de reactie op gang te krijgen. ITER zal echter pas in 2035 op volledige kracht draaien, waarna nog jaren aan experimenten moeten worden uitgevoerd. 

Een wereldwijd tekort aan brandstof voor kernfusie dreigt

Zelfs als ITER succesvol blijkt te zijn, zou dat wel eens een pyrrusoverwinning kunnen zijn voor aanhangers van kernfusie. ITER, JET en andere kernfusiereactoren werken immers door twee isotopen van waterstofatomen, deuterium en tritium, samen te smelten. Bij de samensmelting van die celkernen wordt helium gevormd, waarbij zeer grote hoeveelheden energie vrijkomen. 

Deuterium is in feite een waterstofatoom met één extra neutron in de kern. Ongeveer 1 op 5000 waterstofkernen in de oceanen zijn deuteriumatomen, wat ervoor zorgt dat er in principe een quasi oneindige voorraad beschikbaar is. Kernfusie zou bovendien zo efficiënt zijn, dat één liter water uit de oceaan evenveel energie zou kunnen produceren als 300 liter olie. 

Het schoentje wringt echter wanneer tritium in het spel komt. Dat veel zeldzamere isotoop van waterstof, dat twee neutronen in de kern bevat, bestaat in de natuur slechts in zeer kleine hoeveelheden in de bovenste atmosfeer. Bepaalde nucleaire reactoren produceren ook tritium als bijproduct, maar de meesten verzamelen dit niet. 

Volgens Science.org is de commerciële tritiumproductie beperkt tot slechts 19 zogenaamde Canada Deuterium Uranium (CANDU) reactoren, die elk zo’n 0,5 kilogram tritium per jaar produceren. Bovendien zou de helft van die reactoren tegen het einde van dit decennium worden uitgeschakeld. Daardoor zou de huidige voorraad van tritium – zo’n 25 kilogram – binnenkort wel eens op kunnen geraken. 

Er wordt namelijk verwacht dat ITER elk jaar zo’n kilogram aan tritium zal gebruiken tijdens zijn experimentele reacties. Bovendien zijn een aantal start-ups ook begonnen aan de ontwikkeling van de technologie. Daardoor zou maar bitter weinig tritium overblijven eenmaal de technologie matuur genoeg is om op de markt te worden gebracht.

Kernfusie zelf kan de oplossing zijn

Hoewel de voorraad momenteel allesbehalve verzekerd is, hopen onderzoekers dat daar verandering in komt eenmaal kernfusiereactoren op gang komen. Tijdens het ITER-project zal bijvoorbeeld worden onderzocht hoe tritium ‘gekweekt’ kan worden in de reactor zelf. Bij de fusiereactie tussen tritium en deuterium komen immers neutronen vrij, die soms aan hoge snelheid aan het plasma in de reactorkamer ontsnappen. 

Door de binnenste muur van de reactorkamer te bedekken met lithium, hopen wetenschappers immers dat die neutronen daarmee botsen, waarbij tritium zou kunnen worden geproduceerd. Lithium, dat ook in bijvoorbeeld batterijen wordt gebruikt, is relatief veelvoorkomend, waardoor wetenschappers hopen dat kernfusiereactoren een zo goed als ongelimiteerde bron van tritium kunnen vormen.

Het is voorlopig nog afwachten om te zien of het kweken van tritium in de praktijk werkt. Tot nu toe is het concept nog nooit in de praktijk getest, waardoor de toekomst van kernfusietechnologie voorlopig nog onzeker blijft. 

(jvdh)