De machine lijkt uit de werkplaats van een gekke uitvinder te komen: twee koffietrechters, met de punt naar elkaar gericht, omgeven door een ingenieus systeem van elektrische spoelen.
Maar zodra hij begint, is de machine duidelijk meer dan dat. Magnetische velden van de spoelen stuwen zwevende ringen van gloeiend hete kernen naar het midden, waar ze met 1,6 miljoen km/h botsen.
Daardoor stijgt de temperatuur tot boven de 100 miljoen °C, waarbij de kernen fuseren en het nog heter wordt. Door de extreme hitte zet de elektrisch geladen brandstof uit, en een magnetisch veld reikt naar een ander stel spoelen in de machine.
En nu gebeurt het wonder: het veld wekt in de spoelen elektrische stroom op – zonder turbines of generatoren – die rechtstreeks naar het elektriciteitsnet kan.
Fusie-energie kan 20 jaar eerder realiteit worden dan we dachten.
De machine, ontwikkeld door de Amerikaanse firma Helion Energy, biedt een nieuwe manier om met fusie-energie schone stroom op te wekken – en niet over 30-40 jaar, zoals fusiewetenschappers steeds voorspellen, maar binnen tien jaar.
Helion Energy staat niet alleen in dit streven. Wereldwijd zetten 30 particuliere fusiebedrijven samen ruim 2 miljard euro in – voornamelijk van particuliere investeerders – om hun ambitieuze projecten te realiseren.
Als de schema’s van de bedrijven kloppen, zijn de fusiecentrales op tijd klaar om ons te helpen om in 2050 van de fossiele brandstoffen af te zijn.
Wetenschap bootst de zon na
Fusie-energie wordt vaak beschreven als ‘de droom om de zon op aarde te brengen’, en in principe is dat wat natuurkundigen gaan proberen. De zon creëert haar energie door lichte atoomkernen van waterstof tot zwaardere heliumkernen te laten versmelten, waarbij grote hoeveelheden energie vrijkomen.
Fusie is dus het tegenovergestelde proces als dat in de huidige kerncentrales. Die zijn gebaseerd op splijting, waarbij zware kernen in lichtere worden gesplitst.
De droom van fusie-energie heeft aanleiding gegeven tot grote internationale onderzoeksprojecten. Het vlaggenschip is de reusachtige Europese reactor ITER, die in Frankrijk in aanbouw is.
De ITER, die in Zuid-Frankrijk in aanbouw is, wordt ’s werelds grootste fusiereactor. Het wordt beschouwd als het meest complexe technische project ooit.
Fusie heeft een aantal voordelen boven kernsplijting. Ten eerste is de brandstof, waterstof, onbeperkt beschikbaar, want we kunnen hem uit zeewater winnen, terwijl het uranium voor de huidige kerncentrales zeldzaam en duur is.
Ten tweede is fusie veiliger omdat een fusiereactor niet op hol kan slaan tot een meltdown. En ten slotte laat het fusieproces geen radioactief afval achter dat duizenden jaren lang opgeborgen moet worden.
Massa wordt energie
Het valt echter niet mee om de energieproductie van de zon na te bootsen. De uitdaging bij de fusie van waterstof is dat de positief geladen kernen elkaar afstoten. Alleen bij extreme hitte en hoge druk kunnen de kernen bijeenkomen.
Wanneer dit gebeurt, overwint de aantrekkingskracht van de sterke kernkracht de elektrische afstoting tussen de waterstofkernen, waardoor ze tot helium fuseren. En doordat de twee waterstofkernen samen meer wegen dan de heliumkern, komt de overtollige massa vrij als energie.
Waterstof heeft de laagste temperatuur nodig om te fuseren: 100 miljoen °C.
Traditioneel richtten natuurkundigen zich op zware waterstof met één proton en één neutron in de kern en superzware waterstof met één proton en twee neutronen in de kern als fusiebrandstof.
De twee soorten waterstof fuseren in grote hoeveelheden bij temperaturen van 100 à 200 miljoen °C, terwijl andere stoffen nog hogere temperaturen nodig hebben om de brandstof te ontsteken.
Ontsteking betekent dat de fusieprocessen op eigen kracht doorgaan als ze eenmaal begonnen zijn. Dit gebeurt doordat de extreem hete heliumkernen die bij fusie ontstaan de hitte gaande houden, waardoor de pot als het ware blijft koken.
De afgelopen zes decennia hebben natuurkundigen zich geconcentreerd op een soort reactor die tokamak heet en die de vorm heeft van een autoband of donut.
Magneten rond de reactorring houden de brandstof gevangen in een magnetische kooi. Het magnetisch veld zorgt ervoor dat de brandstof niet in contact komt met de reactorwanden, die door de hitte zouden smelten. In de ITER zijn de magneten maar liefst 25 meter hoog en wegen ze 400 ton.
De supergeleidende magneten in de ITER, die met vloeibaar helium moeten worden gekoeld, zijn 25 meter hoog.
In 2025 begint de ITER met experimenten met plasma’s van zware waterstof, maar de experimenten met een echte fusiebrandstof van zware en superzware waterstof zullen pas in 2035 beginnen. De ITER zal nooit stroom voor het net produceren. Dat gebeurt pas in een volgende fabriek, na 2050.
Minireactor wordt goedkoper
Het Amerikaanse Commonwealth Fusion Systems wil niet zo lang wachten. Het bedrijf werkt aan de minireactor SPARC, die voortbouwt op de kennis die in de loop der jaren door internationaal fusie-onderzoek is opgebouwd.
De SPARC lijkt op een kleine ITER, maar bevat een cruciale technologische doorbraak in de vorm van ongekend krachtige magneten. Net als in andere tokamaks zijn de spoelen van de magneten gemaakt van supergeleiders, materialen waar stroom zonder weerstand doorheen kan lopen.
Om supergeleidend te worden moeten de magneten van de ITER gekoeld worden tot -269 °C, terwijl de magneten in de SPARC, gemaakt van het nieuwe keramische materiaal ReBCO, al supergeleidend zijn bij -196 °C. Dit betekent dat de SPARC vloeibare stikstof voor de koeling kan gebruiken in plaats van het veel duurdere vloeibare helium dat de ITER nodig heeft.
De eerste magneet voor de SPARC is getest. Hij creëert een magnetisch veld met een sterkte van 20 tesla, wat meer is dan magneten die tien keer zo groot zijn.
Commonwealth Fusion Systems heeft met succes de eerste magneet voor de SPARC getest.
De proeven tonen aan dat de magneetspoel van slechts 2,5 meter hoog een magnetisch veld levert dat anderhalf keer zo sterk is als de velden van de enorme magneten in de ITER. Daardoor kunnen fusiecentrales tien keer zo klein worden.
Supergeleider doet reactor krimpen
De SPARC-reactor heeft een bekend ontwerp, maar door gebruik te maken van een nieuwe supergeleider met de sterkste magnetische velden die nu mogelijk zijn, konden de onderzoekers hem tien keer zo klein maken.
1. Reactor heeft de vorm van een donut
De SPARC-reactor is ontworpen als een zogeheten tokamak, het meest beproefde reactorontwerp. In de donutvormige reactor wordt de fusiebrandstof van zware en superzware waterstof in een ring zwevend gehouden.
2. Brandstof zweeft in een magnetische kooi
De brandstof wordt verhit door microgolven, waardoor de waterstof verandert in plasma: vrije elektronen en positief geladen kernen. Zo blijven de waterstofkernen in een magnetische kooi gevangen en raken ze de reactorwanden niet.
3. Supergeleider geeft sterke minimagneten
De magnetische kooi wordt gevormd door 18 D-vormige magneten rond de centrale as van de reactor. Ze zijn slechts 2,5 meter hoog en gemaakt van het supergeleidende materiaal ReBCO, dat tot -196 °C wordt gekoeld.
De SPARC zal in 2025 klaar zijn voor de eerste tests, waarbij de minitank een brandstof van zware en superzware waterstof moet laten ontbranden om een energieoverschot te produceren.
Als het lukt, zal Commonwealth Fusion Systems begin jaren 2030 een iets grotere opvolger bouwen, de ARC, een prototype dat elektriciteit aan het net levert. De ARC krijgt een vermogen van circa 100 megawatt en kan 100.000 huizen van stroom voorzien – of bijvoorbeeld de elektromotor van een groot CO2-neutraal containerschip aandrijven.
Centrifuge brengt fusie tot stand
Terwijl sommige bedrijven voortbouwen op bekende reactortypen, slaan andere nieuwe wegen in. Het Canadese General Fusion wil fusiebrandstof bijvoorbeeld met een knal laten ontbranden.
Het bedrijf heeft een concept ontwikkeld waarbij de reactortank zelf snel ronddraait, en een mengsel van vloeibaar lood en lithium langs de wanden omhoog stuwt – als water in een centrifuge.
Een nieuwe reactor van General Fusion bestaat uit een draaiende fusiekamer met hard slaande compressors eromheen.
Terwijl de centrifuge draait, injecteren de onderzoekers de fusiebrandstof van waterstof in de holte midden in de reactor, waarna persluchtcompressors rondom de reactortank gelijktijdig tegen de buitenkant kloppen.
De slagen veroorzaken een krachtige drukgolf die het vloeibare metaal rond de fusiebrandstof samenperst, waardoor het sterk verhit wordt.
Compressors brengen fusie op gang
1. Centrifuge slingert vloeibaar metaal rond
De reactorkamer is een cilindrische centrifuge die snel om zijn verticale as draait en vloeibaar lood en lithium (rood) tegen de wand slingert. De fusiebrandstof van waterstof wordt aan de bovenkant van de centrifuge geïnjecteerd.
2. Compressors slaan van alle kanten toe
Compressors rondom de reactor slaan tegelijk tegen de wanden. De slagen brengen een drukgolf op gang die het metaal rond de brandstof samenperst. Door de druk wordt de waterstof tot meer dan 100 miljoen °C verhit.
3. Fusie geeft energiepulsen vrij
De hitte ontsteekt de brandstof en brengt in een korte impuls fusie tot stand. Een paar seconden later slaan de compressors weer, waardoor de volgende puls op gang komt. De hitte van de pulsen wordt omgezet in elektriciteit via een ketel en een stoomturbine.
In 2022 is General Fusion begonnen met de bouw van een grote fusiemachine in het onderzoekscentrum Culham in Groot-Brittannië. De nieuwe reactor krijgt 500 compressors die de fusiebrandstof zo hard samenpersen dat de temperatuur oploopt tot 150 miljoen °C.
Een bijkomend voordeel is dat de machine, die in 2025 klaar moet zijn, een deel van de superzware waterstof kan produceren waarmee hij gevoed wordt. Dit gebeurt wanneer neutronen van fusieprocessen lithiumatomen in het vloeibare metaal treffen en omzetten in superzware waterstof, die samen met zware waterstof uit zeewater gebruikt kan worden voor nieuwe fusies.
Onderzoekers van General Fusion moeten 500 compressors aansturen in hun volgende experimentele reactor, die in 2025 klaar moet zijn. Hier werken ze aan een kleinere versie van de reactor.
Bij tokamaks moeten wetenschappers de binnenkant van de reactor bekleden met lithium om superzware waterstof te vormen, een ingewikkeld en technologisch veeleisend proces.
General Fusion wil hierna een prototype van een krachtcentrale bouwen, die begin 2030 klaar moet zijn.
Versneller laat helium fuseren
Hoewel een mengsel van zware en superzware waterstof de meest voor de hand liggende fusiebrandstof is, experimenteren sommige bedrijven met andere mogelijkheden. Helion Energy ontwikkelt bijvoorbeeld een speciale versneller die eruitziet als twee uit de kluiten gewassen koffietrechters.
Botsingen leveren stroom aan het net
1. Brandstof moet botsen
De versneller stuurt twee roterende ringen van waterstof- en heliumkernen naar het centrum. De draaiing van de elektrisch geladen deeltjes creëert een sterk magnetisch veld dat helpt de ringen bij elkaar te houden.
2. Dichtheid van de brandstof neemt toe
In de taps toelopende buizen worden de ringen samengeperst door magnetische velden van spoelen rond de buizen. Dit verhoogt de dichtheid van de brandstof die dan botst in de reactorkamer, waarbij de kernen fuseren.
3. Fusie creëert nieuw magnetisch veld
Door de hitte van de fusie zet de brandstof flink uit, net als het magnetisch veld van de brandstof, waardoor stroom wordt opgewekt in spoelen rond de reactorkamer. De stroom gaat rechtstreeks naar het elektriciteitsnet.
De brandstof, die samenkomt in het centrum van de 12 meter lange versneller, is een mengsel van zware waterstof en helium-3, dat twee protonen en een neutron in zijn kern heeft. De fusie levert helium-4 op met twee protonen en twee neutronen in de kern, plus een vrij proton.
Het probleem met helium-3 als brandstof is dat deze soort helium zeer zeldzaam is op aarde. Daarom moeten we het van de maan kunnen halen, waar het overvloedig aanwezig is. Hier ontstaat het wanneer kosmische stralen uit de ruimte op de onbeschermde maanbodem vallen.
Maar maanmijnbouw zal niet nodig zijn voor Helion Energy, dat een methode ontwikkeld en gepatenteerd heeft om helium-3 te produceren door twee zware waterstofkernen te laten fuseren in een nevenproces in de versneller.
Helion Energy begon in 2020 met tests van zijn zesde versneller, Trenta genaamd. Sindsdien hebben de wetenschappers van het bedrijf meer dan 10.000 botsingen in de machine laten plaatsvinden, en in 2021 bereikten ze een belangrijke mijlpaal: een particulier fusiebedrijf slaagde er voor het eerst in om een fusiebrandstof tot 100 miljoen °C te verhitten.
Helion Energy is de eerste particuliere onderneming die erin geslaagd is temperaturen van ruim 100 miljoen °C in de fusiekamer te bereiken.
Het geniale van het concept van Helion Energy is dat het fusieproces direct stroom opwekt uit het magnetische veld dat in de reactor ontstaat. Er zijn geen stoomturbines en generatoren nodig om warmte in stroom om te zetten, zoals in een traditionele elektriciteitscentrale, en dit maakt fusie-energie goedkoper.
Maar dat is niet het enige. Om ontsteking – dat wil zeggen een zichzelf voortstuwend fusieproces – te bereiken in een fusiebrandstof van helium-3 en zware waterstof, moet het mengsel honderden miljoenen °C heet zijn. Maar ontsteking is bij Helion Energy niet nodig. Het is voldoende dat de uitdijende fusiebrandstof in korte pulsen magnetische velden uitzendt naar de omringende spoelen.
De Trenta levert maar één botsing per tien minuten, maar Helion Energy is zijn opvolger, Polaris, al aan het bouwen. Hij zal iedere seconde een botsing veroorzaken, en in 2024 wordt het de eerste fusiemachine die werkelijk stroom voor het net produceert – zij het nog maar weinig.
Als de Polaris aan de verwachtingen voldoet, denkt Helion Energy na 2030 commerciële fusiecentrales te kunnen bouwen.
Fusie vult zon en wind aan
Fusie-energie is een ideale aanvulling op zonne- en windenergie, waarbij de stroomproductie fluctueert met het weer en de seizoenen. Fusiecentrales kunnen de schommelingen opvangen, net zoals onze centrales op gas en steenkool nu doen.
Fusie-energie heeft ook een sterke positie ten opzichte van kernenergie. Fusie-energie laat geen hoog radioactief brandstofafval achter dat we 100.000 jaar moeten opslaan. Pas als een fusiecentrale is uitgediend, is er een klein afvalprobleem, omdat de neutronen van het fusieproces de reactors radioactief maken. Maar dit afval hoeft maar zo’n 100 jaar te worden opgeslagen.
Al deze voordelen maken fusie-energie tot een superwapen in de strijd tegen de dreigende klimaatramp. En als de bedrijven hun optimistische tijdschema’s weten waar te maken, komt het nog op tijd ook.
