Kernfusiefaciliteit: JET-interieur met bovenop plasma. Kernfusie-energie zou een cruciale duurzame energiebron kunnen zijn als aanvulling op hernieuwbare energiebronnen. Krediet: UKAEA
De oude grap is dat kernfusie altijd 30 jaar verwijderd is. De droom van overvloedige schone energie is echter geen lachertje als we een ITER-onderzoeker ontmoeten om de voortgang in de reactorfaciliteit in te halen.
Door licht en warmte te creëren door middel van kernfusie, heeft de zon het leven op aarde miljarden jaren van brandstof voorzien. Gezien die ongelooflijke kracht en lange levensduur, lijkt het erop dat er nauwelijks een betere manier is om energie op te wekken dan door gebruik te maken van dezelfde nucleaire processen die plaatsvinden in sterren, inclusief onze eigen zon.
Kernfusiereactoren proberen dit proces te reproduceren door waterstofatomen te fuseren tot helium, waarbij energie vrijkomt in de vorm van warmte. Door dit op grote schaal in stand te houden, kan een veilige, schone, bijna onuitputtelijke stroomvoorziening worden geproduceerd.
De zoektocht begon tientallen jaren geleden, maar zou een langlopende grap dat kernfusie altijd 30 jaar verwijderd is, er binnenkort gedateerd uit kunnen zien?
Sommigen hopen van wel, na een grote doorbraak tijdens een kernfusie-experiment eind 2021. Dit gebeurde in de onderzoeksfaciliteit Joint European Torus (JET) in Oxfordshire, VK, in een gigantische, donutvormige machine, een tokamak genaamd.
Binnenin worden oververhitte gassen, plasma's genoemd, gegenereerd waarin de fusiereacties plaatsvinden, die geladen deeltjes bevatten die op hun plaats worden gehouden door krachtige magnetische velden. Dergelijke plasma's kunnen temperaturen bereiken van 150 miljoen graden Celsius, een onpeilbare 10 keer heter dan de kern van de zon.
In een aanhoudende uitbarsting van vijf seconden brachten onderzoekers van het EUROfusion-consortium een recordbrekende 59 megajoule (MJ) fusie-energie. Dit was bijna het drievoudige van het vorige record van 21.7 MJ dat in 1997 in dezelfde faciliteit werd behaald, met de resultaten die werden aangeprezen als "de duidelijkste demonstratie in een kwart eeuw van het potentieel voor fusie-energie om veilige en duurzame koolstofarme energie te leveren." Volg de link voor meer informatie over de succesvol kernfusie-experiment bij JET.
Weergave van JET experimenteel fusiereactorplasma. Krediet: © EUROfusion-consortium (2022)
De resultaten gaven een belangrijke impuls in de aanloop naar de volgende fase van de ontwikkeling van kernfusie. Een grotere en meer geavanceerde versie van JET, bekend als: ITER (wat in het Latijn "De Weg" betekent) is in aanbouw op een 180 hectare groot terrein in Saint-Paul-lès-Durance, Zuid-Frankrijk.
ITER, dat wordt gebouwd als een samenwerking tussen 35 landen, waaronder die in de EU, is bedoeld om het concept van fusie verder te versterken. Het was een van de meest gecompliceerde machines die ooit is gemaakt en het was gepland om in 2025 te beginnen met het genereren van zijn eerste plasma voordat het rond 2035 in werking zou treden met hoog vermogen - hoewel onderzoekers van het project enige vertragingen verwachten vanwege de pandemie.
Belangrijke mijlpaal
De resultaten bij JET vormen een belangrijke mijlpaal, zei professor Tony Donné, programmamanager van het EUROfusion-project, een groot consortium van 4,800 experts, studenten en faciliteiten in heel Europa. "Het is een enorme mijlpaal - de grootste sinds lange tijd", zei hij.
"Het heeft alle modellen bevestigd, dus het heeft echt meer vertrouwen gekregen dat ITER zal werken en doen wat het moet doen." Terwijl de energie die bij JET werd opgewekt slechts enkele seconden duurde, is het de bedoeling om dit op te voeren tot een aanhoudende reactie die energie oplevert.
De resultaten waren het hoogtepunt van jarenlange voorbereiding, waarbij prof. Donné uitlegde dat een van de belangrijkste ontwikkelingen sinds 1997 het veranderen van de binnenwand van het JET-schip was.
“Het is een enorme mijlpaal in kernfusie – de grootste sinds lange tijd. Het heeft alle modellen bevestigd.”
— Prof Tony Donné, EUROfusion
Voorheen was de wand gemaakt van koolstof, maar dit bleek te reactief met het brandstofmengsel van deuterium en tritium, twee zwaardere isotopen – of varianten – van waterstof die bij de fusiereactie worden gebruikt. Dit resulteerde in de vorming van koolwaterstoffen, waardoor de tritiumbrandstof in de wand werd opgesloten.
Bij de verbouwing, waarbij 16 000 componenten en 4 000 ton metaal betrokken waren, werd de koolstof vervangen door beryllium en wolfraam om de tritiumretentie te verminderen. Uiteindelijk slaagde het team erin de hoeveelheid vastzittende brandstof met een groot aantal te verminderen, wat bijdroeg aan het succes van de recente fusie-opname.
DEMO-run
Als voorbereiding op de volgende fase van de epische reis van fusie, zorgden upgrades voor JET ervoor dat de configuratie in lijn was met de plannen voor ITER. Verder in de toekomst zal de volgende stap voorbij ITER een demonstratie-energiecentrale zijn die bekend staat als DEMO, ontworpen om elektriciteit naar het net te sturen, wat ertoe leidt dat fusie-installaties een commerciële en industriële realiteit worden.
"ITER is een apparaat dat 10 keer meer fusie-energie zal creëren dan de energie die wordt gebruikt om het plasma te verwarmen", zegt prof. Donné. “Maar omdat het een experimentele faciliteit is, zal het geen elektriciteit aan het net leveren. Daarvoor hebben we een ander apparaat nodig, dat we DEMO noemen. Hiermee komen we echt aan de basis voor de eerste generatie fusiecentrales.”
Prof Donné voegde toe: “JET heeft nu aangetoond dat fusie aannemelijk is. ITER moet laten zien dat het verder haalbaar is, en DEMO zal moeten aantonen dat het echt werkt.”
Gepland om tot 500 megawatt (MW) aan het net te leveren, denkt hij dat het realistisch is dat DEMO rond 2050 in gebruik wordt genomen. “We hopen DEMO veel sneller te bouwen dan we ITER hebben gebouwd, waarbij we (gebruik maken van de) geleerde lessen, " hij zei.
Toch zijn er nog andere belangrijke uitdagingen die moeten worden overwonnen om kernfusie op gang te krijgen. Niet in de laatste plaats is dat hoewel deuterium overvloedig aanwezig is in zeewater, tritium uiterst schaars en moeilijk te produceren is.
"Als we fusie op gang krijgen, hebben we echt een zeer veilige en schone energiebron die ons duizenden jaren energie kan geven."
— Prof Tony Donné, EUROfusion
De onderzoekers zijn daarom van plan een manier te ontwikkelen om het in de tokamak te genereren, met behulp van een "kweekdeken" die lithium bevat. Het idee is dat hoogenergetische neutronen uit de fusiereacties zullen interageren met het lithium om tritium te creëren.
Essentiële energie
Prof Donné zei dat kernfusie een cruciale groene en duurzame energiebron voor de toekomst zou kunnen zijn. "Ik zou zeggen dat het essentieel is," zei hij. "Ik ben er niet van overtuigd dat we tegen 2050 de koolstofdioxidetransitie kunnen maken met alleen hernieuwbare energiebronnen, en we hebben andere dingen nodig."
En hoewel hij zegt dat de huidige methode om kernenergie te creëren door middel van splijting steeds veiliger wordt, heeft fusie belangrijke voordelen. Voorstanders van ITER praten over voordelen zoals het ontbreken van een meltdown-risico, eraan toevoegend dat kernfusie geen langlevend radioactief afval oplevert en dat reactormaterialen binnen 100 tot 300 jaar kunnen worden gerecycled of hergebruikt.
"Het is absoluut veel veiliger", zegt prof. Donné. Verwijzend naar het stigma dat door kernenergie wordt gedragen, zei hij: "Wat we zien als we met het publiek omgaan, is dat mensen heel vaak nog nooit van kernfusie hebben gehoord. Maar als we de voor- en nadelen uitleggen, dan denk ik dat mensen positief worden.”
Verwijzend naar Lev Artsimovich, ook wel de 'vader van de tokamak' genoemd, zei hij: 'Artsimovich zei altijd dat fusie er zal zijn wanneer de samenleving het echt nodig heeft. Als we fusie op gang krijgen, hebben we echt een zeer veilige en schone energiebron die ons duizenden jaren energie kan geven.”
Het onderzoek in dit artikel werd gefinancierd door de EU.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in Horizon, het EU Research & Innovation Magazine.
