Bedrijf flinke stap dichter bij energiecentrale op kernfusie

Het bedrijf TAE Technologies uit Californië (Verenigde Staten) werkt aan een kernfusiereactor die al in 2030 netto stroom moet leveren. Afgelopen week berichtte het dat het plasma in de huidige reactor een temperatuur van vijftig miljoen graden Celsius heeft bereikt en dat daarmee het doel voor 2030 binnen bereik is.

Een commercieel bedrijf dat een kernfusiereactor ontwikkelt, daarvan zijn er niet zoveel. TAE Technologies ontwikkelt een alternatieve technologie voor een fusiereactor, die Field-Reversed Configuration (FRC) heet. De technologie werkt fundamenteel anders dan de bekende tokamak, in de vorm van een donut, die in de proefreactor ITER wordt gebruikt. Naast plasmatechnologie gebruikt TAE ook deeltjesversnellers voor het injecteren van de fusiebrandstof en voor verhitting.

Hoe werkt kernfusie ook weer?
Als twee waterstofkernen samensmelten – fuseren – dan komt daar enorm veel energie bij vrij. Doe je dat ongecontroleerd, dan heb je een bom, maar als het lukt om dat beheerst te doen (net zoals het in de zon gaat), dan kun je op deze basis een energiecentrale bouwen. Daarvoor moet je een gas extreem heet maken, zodat in het gevormde plasma vele waterstofkernen met elkaar botsen en fuseren. De energie die hierbij vrijkomt, oogst je in de vorm van warmte, waarmee elektriciteit is te produceren. Dit proces heeft enkel het onschadelijke helium als bijproduct.

Pudding en elastiekjes

Michl Binderbauer, CEO van TAE Technologies.

Een van de belangrijkste uitdagingen van een kernfusiereactor is het op zijn plaats houden van het plasma (confinement), de hete materie waarin de fusiereactie plaatsvindt. TAE beschrijft die uitdaging op zijn website als het op z'n plaats houden van pudding door er elastiekjes om te wikkelen.

De elastiekjes staan voor magnetische velden. Je kunt dan meer elastiekjes wikkelen, zegt TAE Technologies, of de pudding wat dikker maken. In een tokamak, zoals JET in Engeland en ITER in Frankrijk straks, houden meerdere heel sterke magnetische velden als elastiekjes het plasma op zijn plaats.

‘In de FRC houdt het plasma zichzelf op zijn plaats’, legt Michl Binderbauer, CEO van TAE Technologies, uit. ‘Daarnaast schieten wij neutrale deeltjes in het plasma met deeltjesversnellers, vergelijkbaar met de apparaten die tumoren kunnen bestralen. Die zorgen voor een nog betere confinement.’

Waterstof en deuterium

TAE Technologies heeft zijn nieuwste reactor Norman genoemd, naar Norman Rostoker, de oprichter en bedenker van de theorie. De reactor is een apparaat ter grootte van twee stadsbussen.

Het plasma, dat momenteel bestaat uit waterstof en deuterium (een waterstofatoom met een proton en een neutron), zit in het midden van de cilinder. Vanaf de twee uiteinden van de cilinder schieten deeltjesversnellers neutrale deeltjes in het plasma om het op te warmen. Om de cilinder heen zorgen magnetische velden ervoor dat het plasma op zijn plaats blijft.

Binderbauer: ‘Het plasma krijgt daardoor de vorm van een roterende rugbybal dat zijn eigen magnetische veld opwekt. Daardoor hebben we een veel minder sterk extern magnetisch veld nodig. Daarnaast hebben de snelle deeltjes minder last van turbulentie.’ Turbulentie in het plasma van een tokamak is een van de grote uitdagingen die nog moeten worden opgelost.

Nieuwsbrief
Vind je dit een leuk artikel? Abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief!

Stabiele fusiereactie

De FRC-technologie heeft dus een aantal voordelen, zegt Binderbauer. ‘We hebben een veel minder sterk magnetisch veld nodig. Dat kost dus minder stroom. Betere confinement betekent verder minder energieverlies. Verder hebben we geen grote divertor ofwel deeltjesuitlaat nodig, zodat het ontwerpen en bouwen van de reactor minder complex is.’

In de Norman-reactor hebben de onderzoekers nu tienduizenden malen een stabiele fusiereactie opgewekt tussen waterstof en deuterium die zichzelf in stand houdt. De hoogste temperatuur die ze bereikten is inmiddels ruim vijftig miljoen graden en de duur van die experimenten was dertig milliseconden.

Dat is veel minder lang dan de experimenten in diverse tokamaks, die soms tientallen seconden duren, of zelfs minuten. Waarom denkt Binderbauer dan toch dat hij snel kan opschalen naar een reactor die echt stroom levert? Die moet immers oneindig lang kunnen draaien.

‘We hebben vanuit kosten- en tijdsoverwegingen een bewuste keuze gemaakt om nu het proof-of-concept te leveren’, zegt hij. ‘Vanuit de theorie weten we dat als we het experiment dertig milliseconden kunnen laten lopen, het ook voor onbepaalde tijd kan. Voor onze volgende demoreactor, die we Copernicus noemen, ontwikkelen we apparatuur die veel langer kan draaien.'

Impressie van het plasma binnenin de reactor van TAE Technologies.

Niet radioactief

Het bouwen van deze nieuwe technologie met alle nieuwe hardware noemt Binderbauer de grootste uitdaging. De komende jaren gaat TAE Technologies experimenten doen met waterstofplasma om op een veilige manier het principe en de werking van de technologie aan te tonen.

Uiteindelijk wil TAE Technologies energiecentrales op boor en gewoon waterstof laten draaien. Die combinatie levert namelijk geen radioactief afval op. De benodigde temperatuur voor de waterstof-boor-reactie is nog hoger, rond een miljard graden, maar Binderbauer is ervan overtuigd dat dat geen probleem gaat opleveren voor de stabiliteit van het plasma.

Energiecentrale in 2030

Het bedrijf kijkt met veel vertrouwen vooruit. Binderbauer: ‘Na Copernicus bouwen we Da Vinci, een fusiereactor die geschikt zal zijn als energiecentrale. We zijn deze nog aan het ontwerpen maar ik denk dat die ongeveer 50 megawatt zal leveren en in 2028 voor het eerst zal draaien. In 2030 moet deze fabriek stroom gaan leveren.’

Investeerders geloven in de technologie van het bedrijf, getuige de 280 miljoen dollar die TAE Technologies onlangs ophaalde voor toekomstige reactoren, maar er zal nog meer nodig zijn. Binderbauer verwacht dat hij daarvoor licentie-inkomsten kan gebruiken van de technologie die ze hebben ontwikkeld, zoals energiebeheertechnologie, het elektrische mobiliteitsplatform en de versnellingsbundels voor onder andere kankerbehandelingen.