De belofte van kernfusie is al tientallen jaren helder: het moet een onbeperkte bron van energie worden met nauwelijks afval en zonder CO2-uitstoot. Vooralsnog is het bij een belofte gebleven, maar veel wetenschappers blijven geloven in deze vorm van groene energie. Wat is er bereikt in al die jaren?

Het klinkt mooi: je laat waterstof­kernen zo hard botsen dat ze samensmelten en daarbij veel energie loslaten, met enkel het onschadelijke helium als bijproduct. Net zoals het in de zon gaat. Dat proces hebben we op aarde al nagebootst, bijvoorbeeld in de Joint European Torus (JET), waar in 1997 het succesvolste fusie-experiment tot nu toe draaide. Het kostte echter veel meer energie om de waterstof zover te krijgen dat die samensmelt, dan dat er aan energie vrijkwam. 


De zon in een doos

Wetenschappers zijn niettemin overtuigd: als je het experiment van JET maar genoeg opschaalt, dan blijft er vanzelf energie over. Maar hoe dat moet, weten we nog steeds niet precies. Eigenlijk geldt de bekende uitspraak over kernfusie nog steeds: ‘We willen de zon in een doos stoppen, maar we weten niet hoe we de doos moeten bouwen.’

Tom Morgan, fusie-onderzoeker bij het Eindhovense instituut DIFFER, gelooft erin. ‘We weten genoeg om een fusiereactor zo te kunnen bouwen dat die zal werken. Fusie-energie zit in een overgangsfase van wetenschappelijke uitdaging naar technologische uitdaging. Dat veroorzaakt opschudding in de fusiegemeenschap. Naast goede kernfusie-fysici hebben we nu ook veel goede kernfusie-ingenieurs nodig.’


Tokamak

De eerste stap in opschaling is de bouw van ITER, de opvolger van JET. Eind juli startte de assemblage van het reactorvat, de zogeheten tokamak, van ITER in het Franse Cadarache. In 2025 moet de reactor voorzichtig gaan draaien, maar pas in 2035 durft men een echte fusie­reactie aan tussen deuterium en tritium (allebei vormen van waterstof). Dan zou hij tien keer zoveel energie moeten leveren als erin gaat. 

Sebastijan Brezinsek, fusie-onderzoeker van het Duitse Forschungszentrum Jülich, was nauw betrokken bij de ontwikkeling van ITER. Ook hij heeft vertrouwen in het succes. ‘We weten hoe een fusiereactor moet werken, hoe we het plasma moeten vasthouden en dat de gebruikte materialen bestand zijn tegen de condities.’ 

Maar wat zijn dan de knelpunten nog, na zoveel onderzoek? Het belangrijkste is dat we nog maar weinig weten over een echte fusiereactie waarbij energie overblijft. Morgan legt uit: ‘In JET vond weliswaar een fusiereactie plaats, maar we hebben nog nooit een zichzelf onderhoudend plasma opgewekt, waarbij alle warmte die nodig is om de fusiereactie aan de gang te houden door de reactie zelf wordt geleverd. In JET was de door de reactie geleverde warmte slechts een fractie van de totaal benodigde warmte.’

Het opschalen van een kleine fusiereactor naar een die groot genoeg is om energie te leveren zoals ITER, is een grote uitdaging, zegt Morgan. Het ingewikkeldst is het stabiel houden van een grote hoeveelheid plasma.

Het plasma, een heet, geladen gas, wordt op zijn plaats gehouden door sterke magneetvelden. In een tokamak vormen die een donutvorm. In theorie zou het plasma altijd op z’n plaats moeten blijven in de tokamak, maar in de praktijk begint het soms te wiebelen door kleine verstoringen die voortkomen uit de manier waarop het magnetisch veld in een tokamak wordt opgewekt. 


Kooi

Er is een alternatief voor de tokamak, die ‘stellarator’ heet. Een van de experimentele fusiereactoren met een stellarator-ontwerp is de Wendelstein 7-X in het Duitse Greifswald. Ook daarin wordt het plasma vastgehouden door magneetvelden, maar die hebben zo’n complexe vorm dat het plasma stabiel blijft.

Josefine Proll doet aan de TU Eindhoven onderzoek naar het plasma in deze stellarators. ‘Je kunt het ontwerp van de magnetische kooi ook nog aanpassen’, zegt ze. ‘We weten tegenwoordig vrij goed welke vorm werkt voor het opsluiten van plasma en welke niet.’

Stellerators sluiten het plasma weliswaar goed op, maar het plasma zelf gedraagt zich niet ideaal, evenmin als in tokamaks trouwens. Het probleem is turbulentie.

Proll legt uit: ‘Aan de randen van het plasma is er onvermijdelijk een temperatuurgradiënt, van heet in de kern naar koel aan de buitenkant. Deze extreme gradiënt leidt tot turbulentie in het plasma, zoals een wolkje koude melk in hete thee. Het gevolg is dat het plasma sneller afkoelt en er minder fusie plaatsvindt.’


Schade

Turbulentie wil je dus zoveel mogelijk voorkomen. Dat is het hoofddoel van Prolls onderzoek, die met hulp van computersimulaties deze turbulenties beter wil begrijpen. ‘We kennen inmiddels veel van de instabiliteiten die turbulentie veroorzaken en die kunnen we minimaliseren. Maar een compleet model van de turbulentie om daarmee de optimale stellerator te ontwerpen, hebben we nog niet.’ 

Naast het temmen van het plasma zelf, is er veel te doen rondom de materialen aan de binnenkant van de fusiereactor. Die staan bloot aan een bombardement van energierijke deeltjes. Het gaat daarbij om de reactor­wand en vooral om de zogeheten divertor, een uitlaat die warmte, overbodige reactieproducten en verontreinigingen moet afvoeren. De hoeveelheid hitte die de divertor te verduren krijgt, is tien keer zo groot als de reactorwand en er komen veel meer deeltjes op de wanden van de divertor terecht. 


Deeltjesbombardement

Het deeltjesbombardement kan allerlei soorten schade aanrichten. Zo kan er erosie optreden waarbij een beetje van het materiaal van de divertor afslijt. Ook kunnen de geladen deeltjes juist in dat materiaal blijven zitten, zogeheten retentie. In het ergste geval verlies je zo brandstof: deuterium of het dure tritium wordt afgevangen door de wand. 

‘In grotere reactoren worden veel meer deeltjes ge­genereerd dan tot nu toe in de proefopstelling’, zegt Morgan. ‘We moeten precies weten welke effecten dat heeft op het materiaal van de wand en de divertor. Wordt het bros, verandert het van structuur, wat gebeurt er met de geleidbaarheid?’

Tot slot kunnen neutronen kernreacties veroorzaken. De wand wordt daardoor een beetje radioactief. Als de fusiereactor straks continu gaat draaien, moeten af en toe onderdelen worden gewisseld als ze te radioactief worden. Dat kan bijvoorbeeld met robotjes. Deze remote handling is wel ontwikkeld, maar moet in de praktijk – in ITER bijvoorbeeld – nog worden getest.


Veelbelovend resultaat

Het meeste materiaalonderzoek richt zich nu op wolfraam. Dat vertoont minder erosie dan grafiet of beryl­lium dat eerder werd gebruikt. Morgan doet onderzoek naar de invloed van plasma op materialen in een proefopstelling, de Magnum PSI. Zo stelde zijn groep een model van een divertor twintig uur bloot aan een ­helium- en deuteriumplasma, het equivalent van een jaar in ITER op volle sterkte. Het goede nieuws was dat er weinig schade was aan het van wolfraam gemaakte blok. 

Maar het moet nog beter, zegt Morgan. Hij onderzoekt onder andere het gebruik van vloeibare metalen zoals lithium, opgesloten in een spons van bijvoorbeeld wolfraam. De voordelen van vloeibaar metaal zijn legio. Wordt het heet, dan verdampt het. Daardoor koelt het weer wat af. Het is daarnaast zelfherstellend: raakt het beschadigd, dan vloeit de scheur vanzelf dicht. Het wordt niet bros. En wordt het radioactief, dan kun je het wegpompen en vervangen. Maar ook dit onderzoek is nog niet verder dan de labfase.

Lithium heeft nog een voordeel: een reactie van een neutron met lithium levert tritium op – precies de schaarse brandstof voor fusiereacties. Het idee is daarom ook om de reactorwand te gebruiken om tritiumbrandstof te produceren – het zogeheten breeding. Volgens Brezinsek hebben diverse onderzoekers wereldwijd dit proces goed onder de knie, maar is het nog nooit in de praktijk getest omdat er nog geen fusiereactor is waarin dat kan.


Demonstratiemodel

In 2035 moet de ITER-fusiereactor op volle sterkte draaien. De opvolger DEMO, die moet bewijzen dat je elektriciteit kunt maken met kernfusie, staat op papier, maar er is nog veel onbeslist, zegt Brezinsek. ‘Men weet bijvoorbeeld nog niet precies hoe groot DEMO wordt. Of hoe de divertor er precies uit gaat zien.’ DEMO moet in 2050 klaar zijn. De opvolger dáár weer van wordt pas een echte elektriciteitscentrale.
 

Tekst: Bastienne Wentzel

 

MEER LEZEN?

Dit verhaal is oorspronkelijk gepubliceerd in het septembernummer van De Ingenieur.  Koop de digitale versie voor € 7,50, of neem - met een flinke korting van 25 % - een digitaal jaarabonnement van twaalf nummers voor € 69,-.

•     Ik koop het digitale septembernummer voor € 7,50
•     Ik neem een digitaal abonnement voor € 69,-