Waarom de energietoekomst er rooskleuriger zou uitzien met kernfusie

Dit najaar zullen wetenschappers voor het eerst in 25 jaar energie opwekken met kernfusie. Maar hoe werkt kernfusie precies? En waarom wordt het proces zo geroemd als bouwsteen van een ‘klimaatneutrale’ toekomst? 

Bij de Joint European Torus (JET), ’s werelds grootste kernfusie-experiment, in het Britse Culham (bij Oxford), wordt alles in gereedheid gebracht voor een productieve herfst. JET is de enige installatie ter wereld die ‘de energiebron van de zon’ kan nabootsen, schrijft Het Financieel Dagblad

Want dat is inderdaad hoe u kernfusie simpelweg kunt omschrijven: als het energieproces dat plaatsvindt in de zon. Een overzicht met alle essentiële weetjes drong zich op.

  • De basis
    In het binnenste van de zon versmelten waterstofkernen met elkaar. Deze elementen vormen samen helium. Daar komt veel energie bij los. In feite voelen we dagelijks kernfusie.
    • Fusiereactoren doen niet precies na wat er in de zon gebeurt. Ze gebruiken varianten van waterstof. ‘Hiermee kunnen we in principe onze huizen eindeloos verwarmen’, aldus FD.
  • Het promopraatje.
    Voorstanders beschouwen kernfusie als ‘de energiebron van de toekomst’. Ze zeggen dit omdat ze quasi oneindig is, net als de zon, en afval noch broeikasgassen produceert. Waterstof is er genoeg
    • Ook kan kernfusie eigenlijk niet het soort catastrofes veroorzaken die men bij kernsplijting vreest (Tsjernobyl). Zodra u de verhitting van een kernfusiereactor uitzet, ligt de reactor stil en kan er niets meer mislopen. Het radioactieve tritium (zie hieronder) blijft in de reactor. Bij kernsplijting kan de kettingreactie nog veel heibel veroorzaken.
  • Het mechanisme.
    Het doel is dus het extreem verhitten van waterstof. Pas bij 100 miljoen graden Celsius fuseren waterstofkernen met elkaar en komt de vereiste energie vrij. 
    • Bij kernfusie in een reactor worden het gasvormige deuterium en tritium onder stroom gezet. Deuterium heet ook wel ‘zwaar water’ en zit in lucht, voedsel en water. Tritium komt in de natuur nauwelijks voor (omdat het radioactief is, met een korte vervaltijd). Tritium ontstaat uit lithium, en moet in de fusiereactor zelf worden gemaakt. Deuterium en tritium smelten wel samen.
    • Bij de verhitting van die twee elementen ontstaat een elektrisch geladen gas, dat plasma wordt genoemd. Plasma ontstaat als een deeltje in gasvorm een elektron kwijtraakt. Het atoom ‘ioniseert’ dan.
  • De obstakels.
    Het onderzoek naar kernfusie duurt al meer dan zestig jaar. Het grootste probleem van dit proces is dat het voorlopig meer energie kost dan oplevert. Daarnaast blijkt het lastig om plasma stabiel te krijgen.

Het kernfusieproces is dus niet te verwarren met wat in traditionele kerncentrales gebeurt. Een fusiereactor ziet er daardoor ook volledig anders uit dan een kerncentrale. Hoe dan?

JET

  • De fusiereactor van JET staat in een hal zo groot als een vliegtuighangar. ‘Bij een bezoek valt meteen de ronde vorm op,’ aldus FD
  • De kernfusie vindt plaats in een donutvormig reactorvat, ook wel torus genoemd. Daarin heersen temperaturen van 150 miljoen graden Celsius, of meer. Dat zijn de temperaturen die het elektrisch geladen gas, het plasma, bereikt. 
    • Het plasma mag de wanden van het vat, de mantel, niet raken. Dan smelt niet alleen het reactorvat. Het is ook slecht voor het plasma zelf. Daarom wordt het in bedwang gehouden met behulp van grote, oranje geverfde magneten. De opgewekte magneetvelden duwen het elektrisch geladen gas weg van de wand. Zolang de waterstof zweeft, raakt deze de wand van de ‘donut’ niet.
    • Het maken van een hittebestendige bekleding van de wand is een van de grootste problemen van fusie. Bij de laatste recordpoging van JET verdampte de koolstofbekleding, en vervuilde de reactor.
De JET ‘tokamak’ is ’s werelds grootste kernfusiemachine. – bron: isopix.be

Opvolger van JET

  • Intussen is Iter, de opvolger van JET, bijna af. Bij dit project hebben wetenschappers rekening gehouden met het probleem van de bekleding. Iter krijgt een bekleding van wolfraam en beryllium, dit zijn metalen met een hoog smeltpunt. 
    • Bij JET is de bekleding nu ook vervangen door dit materiaal, om zo goed mogelijk te kunnen oefenen voor Iter; het najaar zal in het teken staan van deze oefeningen.
  • Iter is tweemaal zo groot als JET en kan daardoor meer energie leveren. Voor het eerst zal een kernfusiereactor daardoor netto energie schenken. Iter zal 450 megawatt produceren, wat evenveel is als een gemiddelde elektriciteitscentrale. Dat moet de reactor dan tien minuten kunnen volhouden. Tot nu toe is het niet gelukt het fusieproces langer dan 6 minuten en 30 seconden te laten duren.
  • Iter is nu voor 75 procent af. ‘De eerste segmenten van de ring zijn net aangekomen’, aldus Tim Luce van Iter. ‘Het zijn stukjes van een gigantische sinaasappel. Vanaf september worden ze op hun plek gehesen. Dat duurt twee jaar. Daarna kunnen we testen.’

En nu?

Als alles goed gaat, zal rond kerst 2025 voor het eerst gloeiend hete ­waterstof te zien zijn in Iter. Daarna zullen wetenschappers zeker tien jaar experimenteren met de installatie, voordat ze zich echt aan fusie wagen. De installatie wordt dan namelijk licht radioactief …

De implementatie van kernfusie is dus nog niet voor morgen. Toch wordt er binnenkort mogelijk vooruitgang geboekt.

(jvdh)

Meer
Yves Labeeu
Lees meer...
Markten