Terwijl het kernfusie-onderzoek stapsgewijs vordert, kampt het gigantische fusieproject ITER met vertragingen en budgetoverschrijdingen. Startups beloven echter op korte termijn de eerste demo’s van fusiecentrales te bouwen. Een Nederlandse hoogleraar meent dat kernfusie een bijdrage zal leveren aan het koolstofvrij maken van de economie, maar niet door het opwekken van elektriciteit.
Doorbraakjes
De door nationale overheden en internationale samenwerking gefinancierde kernfusie-experimenten hebben in de afgelopen jaren regelmatig doorbraken gerapporteerd. Zo lukte het de Amerikaanse National Ignition Facility (NIF) in december 2022 voor het eerst een fusie-experiment uit te voeren dat meer energie opleverde dan erin werd gestopt. De lasers van het deze installatie in Californië pompten gedurende een paar picoseconden 2.05 megajoule in een pellet met een mengsel van deuterium en tritium waarna de fusie van beide waterstof-isotopen 3.15 megajoule aan hitte opleverde.
Toen NIF in juni 2023 het experiment herhaalde, leverde dit zelfs nog iets meer energie op. Jennifer Granholm, Amerika’s minister van energie, noemde het ‘een van de grootste wetenschappelijke doorbraken van deze eeuw’. Overdreven? Dat er voor het eerst meer energie uit zo’n fusie experiment kwam dan erin werd gestapt betekende vooral dat een symbolische drempel is overschreden. We moeten daar wel bij aantekenen dat NIF maar liefst 322 megajoules gebruikt om zijn 192 lasers op te laden. In feite is er dus nog steeds een groot verlies aan energie.
Ook de Joint European Torus (JET) liet van zich horen. Het lukte deze installatie in februari 2022 gedurende vijf seconden een fusie gaande te houden die 59 megajoule aan energie opleverde. Er was geen nettowinst aan energie, maar het was wel een record dat de fusie zo lang op gang bleef. JET staat in de buurt van het Britse Oxford. De installatie heeft een tokamak waarin een plasma verhit kan worden tot circa 150 miljoen graden, de temperatuur die nodig is om deuterium en tritium op aarde te laten fuseren. Supergeleidende magneten creëren een magnetisch veld dat het plasma op zijn plaats houdt en verhindert dat het in contact komt met de wand van de tokamak.
Ook opzienbarend was het record dat het Duitse Max Plank Instituut in februari 2023 vestigde met de Wendelstein 7-X. Het lukte om in deze stellerator, een spiraalvormige vacuümkamer, acht minuten lang een super heet plasma in stand te houden dankzij een input van 1.4 gigajoule aan warmte-energie. De installatie gebruikt een combinatie van magnetron stralen, neutral beam injection en cyclotronresonantie voor het injecteren van hitte in de stellerator. Wendelstein 7-X is niet gebouwd om energie te produceren maar om het ontwerp en materialen te testen.
Andere records
Helaas is er zelden goed nieuws te melden over de bouw van de International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in het zuiden van Frankrijk. De kosten van dit project – een samenwerking tussen de EU, de VS, Rusland, Japan, China, India, Zuid-Korea en het Verenigd Koninkrijk – werden in 2006 nog geschat op €5 miljard. De installatie zou dan in 2016 opgestart worden. Inmiddels lijkt het project meer dan €30 miljard te gaan kosten terwijl het opstarten zeker niet voor 2030 zal plaatsvinden.
De tegenslagen met ITER kunnen gedeeltelijk worden toegeschreven aan het experimentele en gecompliceerde karakter van de installatie. Daarnaast zorgen de late aanlevering van onderdelen door de deelnemende landen, defecten in de onderdelen, fouten in de bouw, COVID en problemen met de Franse Nuclear Safety Authority (ANS) voor verdere vertragingen Een heikel punt is ook de samenwerking met de Russen. De westerse boycot resulteerde in vertraging bij het invoeren van belangrijke onderdelen die door Rusland geleverd worden.
ITER is een extrapolatie van JET, maar het is nog steeds geen kernfusiecentrale. Het ITER experiment moet aantonen dat een gecontroleerde kernfusie op zo’n grote schaal mogelijk is. Het belangrijkste doel daarbij is het bereiken van 10 Q, een fusiereactie die tien keer zoveel energie oplevert dan erin wordt gestopt. De ervaringen die met ITER worden opgedaan moeten dan resulteren in de bouw van DEMO, een demo van een echte kernfusiecentrale die 25 keer meer thermische energie levert dan erin wordt gestopt.
Commercieel?
Volgens de EU-plannen zal DEMO pas in de tweede helft van deze eeuw gebouwd worden. Toch heeft Niek Lopes Cardoso er alle vertrouwen in dat er ergens op de wereld in 2050 reeds een kernfusiecentrale zal opereren. Deze hoogleraar Wetenschap en Technologie van Kernfusie aan de TU Eindhoven heeft meer dan veertig jaar ervaring met internationaal en nationaal kernfusie-onderzoek. Hij zegt: ‘Er zijn in de laatste jaren deskundigen opgestaan die geloven dat er inmiddels genoeg kennis is verzameld om nu reeds te werken aan een demonstratiemodel van een fusiecentrale.’
De efficiëntie waarmee een fusiecentrale elektriciteit genereert is veel te laag.
Niek Lopes Cardoso
Lopes Cardoso heeft het dan over de meer dan veertig startups die in de afgelopen jaren miljarden euro’s aan durfkapitaal hebben bijeengeharkt met verschillende innovatieve plannen voor kernfusiecentrales. Lopes Cardoso: ‘Je moet bedenken dat ITER een design is uit de jaren negentig van de vorige eeuw. ITER heeft er wel voor gezorgd dat onderzoekers uit de hele wereld hun kennis op het gebied van kernfusie bij elkaar hebben gebracht.’ En zo is er volgens de hoogleraar een kennisbasis ontstaan waaruit de startups nu kunnen putten.
Lopes Cardoso betitelt drie startups als veelbelovend: Commonwealth Fusion Systems, First Light Fusion en General Fusion. Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van MIT, maakt gebruik van een veel kleinere maar veel efficiëntere tokamak dan ITER. Dit is mogelijk doordat de magneten die het plasma op zijn plaats houden hoge temperatuur supergeleiders benutten, een technologie die nog niet beschikbaar was toen ITER werd ontworpen. First Light Fusion gebruikt geen tokamak, maar laat een pellet met deuterium en tritium imploderen door er een projectiel op af te schieten.
Het Canadese General Fusion gebruikt ‘magnetized target fusion’, een technologie waarbij het bedrijf wolken super heet plasma van deuterium en tritium injecteert in een reactor waarvan de wand bekleed is met gesmolten lood-lithium. Na iedere injectie wordt het plasma door zuigers samengeperst waardoor de hoge druk ontstaat die nodig is om deuterium en tritium te fuseren. De lood-lithium wand absorbeert niet alleen de hitte, maar zorgt tevens voor de productie van tritium, een isotoop die op aarde weinig voorkomt.
General Fusion is van plan bij het hoofdkwartier in Canada een demo te bouwen die reeds in 2025 fusie zal laten zien. Ook Commonwealth Fusion Systems wil in 2025 zijn SPARC tokamak opstarten. Die moet dan binnen een aantal jaren twee keer zoveel energie moet leveren als erin wordt gestopt. First Light Fusion wil in 2024 samen met de U.K. Atomic Energy Authority beginnen met de bouw van Machine 4, een installatie die haalbaarheid van de benadering van dit bedrijf moet bewijzen.
Het zal duidelijk zijn dat de startups in de kernfusie de neiging hebben met zeer optimistische voorspellingen te komen. Ze moeten tenslotte durfkapitalisten overhalen de geldstromen naar hun bedrijven gaande te houden. Mochten binnen de komende tien jaar een of twee bedrijven erin slagen een demo van een kernfusiecentrale aan de praat te krijgen, dan zal dit vrijwel zeker de roep in het Europese parlement en het Amerikaanse Congres versterken om de geldstroom naar ITER af te knijpen.
Lopes Cardoso meent echter dat er nog steeds veel te leren valt van ITER. ‘Die startups willen demonstratiemodellen bouwen die een maand of drie functioneren om zo te bewijzen dat hun technologie werkt,’ zegt de Eindhovense hoogleraar. ‘ITER heeft een totaal ander pad. ITER wordt gebouwd om gedurende 25 jaar experimenten te kunnen doen waarvan iedereen nog heel veel kan leren. Er zijn onderdelen van een fusiereactor, zoals de breading blankets in de reactor die tritium genereren, waar de startups nog veel van moeten leren.’
Duurzame samenleving
Zal kernfusie nog een bijdrage kunnen leveren aan het koolstofvrij maken van de economie? En zo ja, wanneer dan? Lopes Cardoso acht de kans groot dat we er in 2050 nog steeds niet in geslaagd zullen zijn alle fossiele brandstoffen uit de economie te verwijderen. ‘In dat geval zullen we iedere optie om schone energie te genereren met open armen ontvangen,’ zegt de fusiedeskundige. ‘Daarom moeten er dus nu wel voor zorgen dat we die optie dan ook hebben.’
Lopes Cardoso meent dat de warmte die kernfusie in de toekomst zal leveren ook als warmte gebruikt moet worden en zeker niet om elektriciteit mee op te wekken. Hij zegt: ‘De efficiency waarmee een fusiecentrale, met name een tokamak, elektriciteit opwekt is veel te laag.’ Dat komt omdat een fusiecentrale erg veel energie verbruikt voor de stroomaandrijving, de super gekoelde magneten, de koeling en andere systemen. Lopes Cardoso: ‘Als zo’n fusiecentrale dan elektriciteit opwekt en niet continue op vol vermogen draait, dan hou je vrijwel niets over.’
‘Het verbruik van warmte door de industrie is een kwart van het totale energieverbruik,’ zegt Lopes Cardoso. ‘Een kernfusiecentrale is enorm efficiënt in het produceren van warmte en die kun je dan ook het beste als warmte gebruiken in de industrie of bijvoorbeeld voor stadsverwarming.’ Omdat een kernfusiecentrale zo veilig is, geen kans op explosies, kun je zo’n centrale dan ook vlak bij de eindgebruikers plaatsen waardoor het niet nodig is de warmte over grote afstanden te transporteren.
