Kernfusie: Kleiner is fijner

Kernfusie kan het ontbrekende puzzelstukje worden in de volgende fase van de energietransitie. Probleem is alleen dat deze vorm van schone energieopwekking lastig te realiseren is. Waar het megaproject ITER wordt geplaagd door tegenslag, zijn het nu juist de kleine startups die razendsnel doorgaan met innoveren.

Op het terrein van de grote kernfusiereactor ITER in het zuiden van Frankrijk is al enorm veel gebouwd. De oplevering is nabij, zo lijkt het. Maar het internationale samenwerkingsproject kampt al jaren met ernstige vertragingen. Milestones die niet worden gehaald, onderdelen die niet goed op elkaar passen.

Onlangs nog moest worden besloten dat de binnenwand niet meer van beryllium wordt gemaakt, maar van wolfraam. Een ingrijpend besluit dat gevolgen heeft voor andere onderdelen.

Ondertussen halen talloze startups die een fusiereactor willen bouwen, grote investeringen binnen. Tien miljoen hier, enkele tientallen daar. Eentje heeft zelfs twee miljard dollar opgehaald.

Vijftig kernfusie-startups

Investeerders hebben duidelijk fiducie in de plannen van deze kernfusiestartups, waarvan er nu wereldwijd zo’n vijftig zijn. Overheden trouwens ook. Opvallend was de oproep tot meer internationale samenwerking van klimaatgezant John Kerry van de Verenigde Staten op de laatste klimaattop. De Amerikanen denken de ontwikkeling van kernfusie te versnellen door overheid en bedrijfsleven te laten samenwerken.

Ook in Groot-Brittannië zet de overheid de deur open voor het bedrijfsleven, zegt Niek Lopes Cardozo, hoogleraar Wetenschap en technologie van kernfusie aan de TU Eindhoven en al decennia actief in het internationale kernfusieonderzoek.

‘Zo stelt het onderzoekscentrum in Culham, nabij Oxford, ruimte op het terrein beschikbaar voor startups die een demonstrator willen bouwen.’

Computertekening van de reactor SPARC die startup Commonwealth Fusion Systems ontwikkelt, een spinoff van MIT. Illustratie: T. Henderson / CFS / MIT

Snel bouwen, snel leren

Het kernfusieonderzoeksveld is echt veranderd, ziet ook Marco de Baar, directeur van energieonderzoeksinstituut DIFFER. Decennialang was het werken aan kernfusie vooral een zaak van overheidsinvesteringen; het waren landen die er onderzoek naar deden, met als grootste project ITER.

‘Nu is er een veld vol paddenstoelen – bedrijfjes – die de grond uit schieten. Niet zo erg als er een wordt platgetrapt, want dan komt er ergens anders wel weer een omhoog. De beer is nu echt los, dat is iets van de laatste paar jaar.’

ITER: groot, log en peperduur

De startups pakken het heel anders aan dan het ITER-project. Ze willen snel een eerste reactor bouwen en van de ervaringen leren, om direct een volgende, betere versie te bouwen. Een apparaat zo groot, log en peperduur als ITER moet in één keer goed zijn.

De Baar wijst erop dat ITER met startups vergelijken, eigenlijk hetzelfde is als appels met peren vergelijken. ‘ITER is een wetenschappelijk experiment om een brandend plasma te onderzoeken. Men kijkt naar verschillende methoden om het plasma te verhitten. Ook wil men de kweekdeken testen, een aanpak om in een dikke laag om de binnenwand heen de brandstof tritium te ‘kweken’ uit lithium. Dit leidt tot een enorm omvangrijk wetenschappelijk programma.’

Aan de andere zijde zitten de startups die zo snel mogelijk vooruit willen. ‘Dat is voor die bedrijven een groot voordeel. Maar dat wil nog niet zeggen dat het een gelopen race is.’

Er zijn ook bedrijven die niet met een tokamak werken als fusiereactor. Ze gebruiken bijvoorbeeld een stellarator, een exotisch ogende reactor in de vorm van een wokkel. Het grootste voordeel daarvan is dat instabiliteiten in het plasma minder makkelijk ontstaan dankzij de gekke vorm. Het is goed bedacht, vindt Marco de Baar, ‘maar je bent het ene probleem kwijt en krijgt er een ander voor terug, namelijk een complexer ontwerp.’ Hier is een segment te zien van het plasmavat voor de Wendelstein 7-X stellarator tijdens de productie. Foto: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik / Wolfgang Filser

Snelle evolutie

Het sterkste punt van de startups, zegt Lopes Cardozo, is dat ze profiteren van een snelle evolutie van hun apparaten. De ITER-reactor is ontworpen om zeker dertig jaar mee te gaan als onderzoeksfaciliteit. Daar moet bijna alles kloppen en het apparaat moet lang meegaan.

Misschien gaat ITER uiteindelijk werken, maar doordat de ontwikkeling zo enorm lang heeft geduurd, zal een volgende, betere versie veel te lang op zich laten wachten. ‘Dat pakken die startups veel slimmer aan. Kleinere, eenvoudigere machines die hoogstwaarschijnlijk niet meteen zullen voldoen, maar waarvan zoveel te leren is dat ze eenvoudig en snel kunnen worden verbeterd. De leercurve is veel steiler dan bij ITER, en dat is goed.’

SpaceX

Deze aanpak doet denken aan de beginfase van ruimtevaartbedrijf SpaceX van Elon Musk. Het bouwde snel nieuwe raketten die de eerste paar keer vrijwel meteen na de lancering ontploften. Maar van de gemeten data leerde SpaceX zoveel dat de volgende versie van de raket veel beter was. En dat nog een keer.

Dit is niet het volledige artikel.