Kernfusie-onderzoek: belangrijke horde genomen maar weg is nog lang

“Een mijlpaal”, is het volgens het Amerikaanse Departement voor Energie. Het bevestigt dat onderzoekers in Californië erin zijn geslaagd met kernfusie 3,15 megajoule aan energie te produceren, door een capsule met brandstof met 2,05 megajoule laserenergie te verhitten. In absolute termen stelt dat weinig voor - 1 MJ is ongeveer wat nodig is om een paar liter water aan de kook te krijgen - maar het is wel de eerste keer dat een fusiereactie meer energie oplevert dan ze kost. “Dat is een essentiële voorwaarde indien we kernfusie ooit als energiebron willen gebruiken”, zegt plasmafysicus Dirk Van Eester (Koninklijke Militaire School). “Dit is dus een belangrijke verwezenlijking.”

Bij kernfusie versmelten waterstofkernen tot een heliumkern, een proces waarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. Om dat voor elkaar te krijgen, moeten de enorme afstotende krachten tussen atoomkernen worden overwonnen, en dat kan alleen bij erg hoge druk en temperatuur. Het is het proces dat aan de basis ligt van de energie die de zon en andere sterren produceren. Omdat kernfusie geen langlevend radioactief afval oplevert, en erg veel energie kan puren uit een klein beetje overvloedig aanwezige brandstof, is het volgens sommigen de ultieme energiebron.

In de zon laat de enorme zwaartekracht atoomkernen fuseren. Het op aarde nabootsen van de omstandigheden in de zon is echter geen sinecure. En omdat het zoveel energie vergt om de juiste omstandigheden voor fusie te creëren, bleek het tot voor kort onmogelijk er meer uit te halen dan erin kroop. De Amerikanen experimenteerden met zogenoemde ‘inertiële fusie’, waarbij waterstofkernen opgesloten zitten in een kleine capsule die met lasers wordt verhit. In wat volgt verdampt de capsule, en implodeert de brandstof, met een fusiereactie gedurende enkele miljardsten van een seconde als resultaat.

“Een belangrijke stap vooruit op laboschaal”, vindt Vincent Massaut, verbonden aan het nucleaire studiecentrum SCK. “Tegelijk is elektriciteitsproductie met inertiële kernfusie nog veraf.” Al was het maar omdat we dan over heel andere grootteordes spreken. “De onderzoekers kunnen nu in hun lab één keer per dag zo’n reactie laten plaatsvinden, omdat het hele systeem telkens heel precies moet worden afgesteld. Terwijl in een reactor met het vermogen van Doel 3 een duizendtal capsules per seconde zouden moeten worden beschoten.”

Een belangrijke kanttekening is bovendien dat het experiment enkel netto-energie opleverde als je naar de laatste stap van het hele proces kijkt. Zoom je uit, dan verdampt de winst, want om de 2,05 MJ laserenergie te produceren, was ongeveer 400 MJ elektrische energie nodig. Dat komt doordat de lasers erg inefficiënt zijn. “En ik zie niet meteen hoe ze dat probleem kunnen oplossen”, zegt Van Eester.

Eeuwig voor binnen 30 jaar

Als we ooit willen kokerellen en rondrijden op met kernfusie opgewekte elektriciteit, dan zullen we het wellicht van een andere aanpak moeten hebben. In een zogenoemde tokamak, een donutvormige reactor, worden waterstofatomen verhit tot een plasma, een elektrisch geladen gas, waarin fusiereacties plaatsvinden. Sterke magneetvelden houden dat plasma op zijn plaats. In de Brits-Europese proefreactor JET (Joint European Torus) slaagden wetenschappers er eerder dit jaar in om met een fusiereactie van vijf seconden bij 150 miljoen graden 59 MJ energie te produceren. Daar hadden ze wel drie keer zoveel energie voor nodig gehad.

De ITER-reactor die in Zuid-Frankrijk wordt gebouwd heeft de ambitie om een fusiereactie op gang te brengen die zichzelf gedurende langere tijd in stand houdt, zonder dat nog energie aan het systeem moet worden toegevoegd. Dat moet tien keer meer energie opleveren dan erin is gepompt.

Tokamaks kampen met hun eigen uitdagingen. Zo is er veel elektriciteit nodig om het plasma te verhitten en de krachtige magneetvelden op te wekken die het plasma in bedwang moeten houden. De reactorwand moet bestand zijn tegen de extreme temperaturen en botsingen met neutronen die bij de fusiereactie vrijkomen. “De technische obstakels lijken echter minder groot dan de hindernissen bij het opschalen van inertiële fusie”, zegt Van Eester.

Sowieso zal ITER met de geproduceerde energie nog geen elektriciteit opwekken. Dat wordt de taak van een volgende generatie, nog grotere demoreactoren. Volgens Eurofusion, het consortium van Europese kernfusieonderzoeksinstituten, kunnen die er als alles volgens plan verloopt rond 2050 zijn. Maar kernfusie is al altijd ‘voor binnen 30 jaar’ geweest, grappen de critici weleens. En komt de technologie dan überhaupt nog op tijd? “We zetten wel degelijk stappen vooruit”, zegt Van Eester. “Ik denk dat een schone energiebron, die veel minder plaats inneemt dan hernieuwbare energie, altijd een waardevolle bijdrage zal kunnen leveren.”

Volgens energie-expert Pieter Vingerhoets, die met collega’s bij VITO/ EnergyVille recent onderzocht hoe het toekomstige energiesysteem eruit zou kunnen zien, is daarin mogelijk nog een - beperkte - rol voor nucleaire technologie weggelegd. “Een belangrijke vraag is dan niet alleen of fusie netto elektriciteit zal kunnen opwekken, maar ook of dat op een kosteneffectieve manier kan”, zegt Vingerhoets. “Daar zijn we nog ver van verwijderd.”