Extreme machines geven ons voorgoed energie

Fusie is een schone, veilige en vrijwel onuitputtelijke energiebron – maar alleen zeer geavanceerde machines kunnen de zon nadoen. En natuurkundigen staan nu op het punt een reactor te vullen met echte fusiebrandstof.

ITER

Fusie lijkt op het aansteken van een vuur met kletsnat hout. De positief geladen waterstofkernen stoten elkaar af en doen wat ze maar kunnen om elk contact te vermijden. Extreme machines moeten dus de weerbarstige waterstofatomen met een enorme hitte of druk dwingen om samen te gaan. En als dat lukt, leveren de mateloze hoeveelheden energie die er vrijkomen bij fusie, ons schone en goedkope stroom op.

Al heel wat jaren proberen onderzoekers de energie uit fusie te gebruiken.

Nu hebben ze een flinke stap gezet op de weg naar de energiebron van de toekomst, want eind 2020 wordt de Europese reactor JET gevuld met zware en superzware waterstof.

De JET is de grootste proefreactor die er is en de enige die is gebouwd om fusiebrandstof te kunnen verwerken. De andere reactoren gebruiken alleen zware waterstof, wat voor een energiecentrale te weinig fusie oplevert.
Deze reactor is een voorproefje van de volgende generatie fusiereactoren – met de acht keer zo grote ITER, die in Frankrijk wordt gebouwd, als vlaggenschip.

De tests, die in 2025 beginnen, moeten leiden tot het eerste zelfdraaiende fusieproces ooit – dat natuurkundigen de ontsteking noemen – en gigantisch veel energie opwekken.

De perspectieven van fusie-energie zijn enorm. De grondstoffen zijn zware waterstof uit zeewater en superzware waterstof, die van lithium wordt gemaakt. Dat maakt fusie-energie tot een vrijwel onuitputtelijke energiebron.

Van zeewater zal er altijd wel genoeg zijn, en de bekende lithiumreserve gaat nog minstens 1000 jaar mee. Maar de technologische uitdagingen zijn enorm.

Het doel: een zelfdraaiend fusieproces

Op dit moment moet er voortdurend energie worden toegevoegd om de fusies aan de gang te houden. Het doel is echter dat het proces zelfvoorzienend wordt als het eenmaal is gestart.

Laser concurreert met reactoren

De meeste fusie-installaties volgen een van de twee snelwegen naar fusie-energie. De ene is laserfusie, waarbij de VS het verst zijn. Hierbij bestoken energierijke laserstralen een waterstofpil van alle kanten en persen ze de waterstof zo hevig samen dat deze tot helium fuseert.

In 2014 wekte de gigantische laserinstallatie NIF anderhalf keer zo veel energie op uit een waterstofpilletje als de hoeveelheid energie die de laserstralen in de brandstof hadden gepompt. Maar het doel – de fusieprocessen op gang brengen en dan vanzelf te laten verlopen – was niet bereikt.

De tweede weg naar fusie-energie is de reactor, waarbij twee technologieën elkaar beconcurreren. Beide verhitten de waterstof tot plasma, waarin de kern en de elektronen worden gescheiden, en houden dit vast in een krachtig magnetisch veld, zodat het de reactorwand niet raakt – want dan zou het afkoelen.

Het ene type, de klassieke reactor als de JET en de ITER, noemen we tokamak. Deze reactor is het makkelijkst te bouwen. Maar een tokamak kan de fusiebrandstof per keer maar een uur in de magnetische kooi vasthouden – vervolgens moet de reactor worden geleegd en moet er nieuwe brandstof ingepompt worden. En dat moet razendsnel gebeuren, want de consument wil niet zonder stroom komen te zitten.

Het tweede type reactor is de stellarator, waarbij magneten sterk vervormd worden om juist een zeer gelijkmatige magnetische kooi te creëren die in principe jarenlang in stand kan blijven. Hierbij kan de reactor steeds worden bijgevuld, net zoals wanneer je kolen in een ketel gooit.

Maar door die vervormde magneten is het bouwen van de reactor ongelofelijk ingewikkeld, en in 2003 stonden de Duitsers die ’s werelds eerste grote stellarator, Wendelstein 7-X, bouwen, op het punt het bijltje erbij neer te gooien. Maar gelukkig gingen ze ermee door, want nu draait de reactor gesmeerd en heeft hij brandstof 100 seconden lang vastgehouden.

Er is nog wel een lange weg te gaan naar het wereldrecord van 6,5 minuut dat de kleine Franse tokamak WEST in 2003 vestigde, maar de Duitse natuurkundigen denken dat ze de brandstof wel een halfuur vast kunnen houden in de Wendelstein 7-X-reactor.

Stellarator draait continu

De Wendelstein 7-X-reactor is een stellarator. Dit type heeft een stabieler magnetisch veld, waardoor de fusie langer blijft doorgaan. Maar het bouwen ervan is een enorme uitdaging.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Scheve magnetische spoelen creëren een stabiel magnetisch veld, dat in de hele ring even sterk is.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Waterstofplasma is gevangen en kan de reactorwand niet raken.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Herstart van tokamakreactor

De JET is een reactor van het type tokamak. Dit is de simpelste en technisch meest stabiele reactor, maar hij moet wel voortdurend worden herstart.

Mikkel juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Een spoel midden in de reactorring trekt het elektrisch geleidende plasma van atoomkernen en elektronen naar het hart van de reactor.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

D-vormige mag­neten voorkomen dat het hete plasma de reactorwand raakt en afkoelt, maar er zit meer ruimte tussen de spoelen buiten dan tussen de spoelen binnenin, dus vanbuiten is het magnetisch veld zwakker.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Twee ronde magneten compenseren de zwakte vanbuiten, maar toch is het plasma hooguit een uur vast te houden voor het in aanraking komt met de reactorwand.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Gloeiend plasma breekt uit de kooi

Geen van de huidige grote proefreactoren produceert meer energie dan er gaat zitten in het verhitten van de brandstof. Maar met elkaar leggen de reactoren de problemen bloot die moeten worden opgelost om de weg vrij te maken voor echte fusiecentrales.

Bij de JET zullen onderzoekers ervaringen opdoen met de aankomende experimenten met echte fusiebrandstof van zowel zware als superzware waterstof. Tot voor kort gebruikten de natuurkundigen niet zo graag superzware waterstof in hun reactoren, want het is een radioactieve stof waar dure veiligheidsmaatregelen voor nodig zijn.

Maar de grootste uitdaging is het om het fusieplasma een langere tijd vast te houden. De gloeiend hete en turbulente brandstof probeert voortdurend uit de magnetische kooi te breken en contact te maken met de reactorwand. Daarom moet de reactorring omgeven worden met extreem krachtige en stabiele magnetische velden.

De verouderde JET-reactor heeft alleen gewone magneten en kan daarom de brandstof slechts enkele seconden vasthouden. Maar volgend jaar zal een efficiëntere magnetische kooi worden getest in de tokamakreactor JT60-SA in Japan, die supergeleidende magneten heeft gekregen om de brandstof 100 seconden per keer gevangen te kunnen houden.

Drie jokers dagen fusiemachines uit

Tot dusver waren er voor fusie enorme reactoren nodig, maar kleine machines kunnen een betere oplossing bieden.

  • De reactor gebruikt waterstof en borium in plaats van zware en superzware waterstof, en wordt dus niet radioactief.

    Fusie zonder radioactiviteit

    Fusie-energie zonder neutronenstraling, dat wil het Amerikaanse bedrijf TAE Technologies bereiken door gewone waterstofkernen, protonen, te laten fuseren met boriumatomen.

    Wanneer een borium-11-atoomkern een proton opneemt en fusie-energie vrijgeeft, wordt hij omgezet in drie heliumkernen. Tijdens de fusie komen geen neutronen vrij; de reactor wordt dus niet radioactief. Het nadeel is dat de centrale een temperatuur van 1 miljard °C nodig heeft.

    Die moet worden bereikt met een versneller waarin plasmabellen botsen. In een 30 meter lang prototype heeft TAE Technologies een temperatuur van 20 miljoen °C in de brandstof bereikt. Grotere versnellers kunnen volgens het bedrijf het doel halen.

  • De bolvormige reactor van slechts 2 meter doorsnee kan zonder supergeleidende metallische magneten.

    Bolreactor gebruikt goedkope magneten

    Het Britse bedrijf Tokamak Energy bouwde een kleine, bolvormige tokamakreactor met een diameter van slechts 2 meter, die vorig jaar tot 15 miljoen °C werd verhit met een fusiebrandstof. De volgende stap is de temperatuur verhogen tot de 100 miljoen °C die een centrale nodig heeft.

    Normaal gebruiken fusiereactoren supergeleidende metallische magneten die gekoeld worden met helium, maar deze reactor is zo klein dat hij toe kan met supergeleidende keramische magneten, die gekoeld worden met goedkope vloeibare stikstof.

    Volgens Tokamak Energy maakt de combinatie van de bolvorm en keramische magneten de weg vrij voor een elektriciteitsnet met veel kleine, goedkope fusiecentrales.

  • 20 hydraulische hamers slaan op de reactor in het midden en creëren schokgolven, die waterstof en superzware waterstof laten fuseren.

    Hamers creëren fusie met schokgolven

    Het lijkt net een egel, maar de 20 'stekels' van de fusiereactor zijn 100 kilo zware hydraulische stempels die met 200 km/h op de tank slaan. De schokgolven die vrijkomen, persen een bel van zware en superzware waterstof samen.

    Het Canadese bedrijf General Fusion heeft een prototype van de machine gemaakt, die op grotere schaal een energieoverschot kan produceren als de plasmabel een seconde blijft bestaan.

Om de volgende stap te zetten naar de schone en onuitputtelijke energiebron van de toekomst, wordt nu ’s werelds grootste en meest complexe machine gebouwd voor bijna 20 miljard euro.

Deze ITER-reactor in Zuid-Frankrijk is een project van de EU, de VS, Rusland, Japan, China, Zuid-Korea en India. Het bouwwerk is zo groot als een flat van 15 verdiepingen en de reactor wordt wel 23.000 ton zwaar. De reactorring krijgt een diameter van 19,4 meter en wordt omringd door supergeleidende magneten die van boven tot onder 25 meter groot zijn.

Deze gigantische reactor zal de vorige moeten overstijgen – wanneer de brandstof wordt ontstoken en de warmtebron wordt uitgezet, moeten de fusieprocessen vanzelf blijven draaien.

In het gloeiend hete plasma botsen de extreem hete heliumkernen van de fusies met waterstofkernen en verhitten ze deze, waaruit nieuwe fusies voortkomen. De energieproductie gaat door zolang er brandstof aan de reactor wordt toegevoegd en zolang de magnetische kooi de brandstof vasthoudt. Het doel is om de insluiting één uur per keer te handhaven.

De tests met echte fusiebrandstof van zware waterstof en superzware waterstof beginnen in 2035, en dan moet het mogelijk zijn tien keer zo veel energie op te wekken als de reactor gebruikt om de brandstof te verhitten. Later moet het energiesurplus worden verhoogd tot 30 keer de hoeveelheid toegevoegde energie.

ITER creëert fusie-energie met extreme hitte en kou

1 / 3

undefined

123

De brandstof in de reactorring wordt met microgolven en waterstofatomen bestookt en verhit tot 150 miljoen °C heet plasma.

© ITER

Het is nog niet bekend of de opvolger van de ITER een tokamak of stellarator wordt. De resultaten van de Wendelstein 7-X kunnen zo goed zijn dat de stellarator de winnende technologie wordt, maar misschien worden beide typen wel ingehaald door een van de kleinschaliger machines die worden getest.

Gewoon zeewater vervangt kolen

Mogelijk levert de eerste fusiecentrale rond 2060 stroom aan het elektriciteitsnet. Welke versie ook wint, fusie zal een volledig veilige energiebron zijn, want er is geen risico op uit de hand gelopen kettingreacties, zoals in een kerncentrale. Zodra de brandstoftoevoer stopt, stopt de reactor, als een automotor zonder benzine.

Fusie laat ook geen zwaar radioactief brandstofafval achter dat 100.000 jaar veilig moet worden weggeborgen, want het enige restproduct is helium.

Zware waterstof van 40 liter zeewater en superzware waterstof uit 5 gram lithium – de hoeveelheid in een mobiele telefoon – leveren evenveel energie als 40 ton steenkool, vervuilen de lucht niet en stoten geen CO2 uit. Dit zal fusie een hoofdrol bezorgen in klimaatneutrale energievoorziening.

Lees ook:

Energie

Vier opties voor de groene fusie-energie van de toekomst

3 minuten
Tsjernobyl
Kernenergie

Tsjernobyl moet weer energie opwekken

1 minuut
VERBLINDEND IDEE
Energie

Kunstmatige zon moet voor oneindige groene energie zorgen

2 minuten

Log in

Fout: Ongeldig e-mailadres
Wachtwoord vereist
ToonVerberg

Al abonnee? Heb je al een abonnement op ons tijdschrift? Klik hier

Nieuwe gebruiker? Krijg nu toegang!