Eeuwige hoop op kernfusie

Er wordt al een halve eeuw aan gewerkt: kernfusie als alternatieve energiebron. En altijd worden de resultaten ‘over twintig of dertig jaar’ verwacht. Margriet van der Heijden

Ook Chinezen willen welvaart. Dus wordt er gemiddeld elke twee weken een kolencentrale opgeleverd. Een centrale die elektrische stroom maakt, maar daarnaast nogal wat CO2. Vandaar dat de term duurzame energie ook in China steeds vaker valt.

China en Nederland kunnen op dat terrein veel van elkaar leren, zei premier Balkenende afgelopen maandag op het symposium Energy for the Future op de Tshingua University in Peking. In kleine en grotere projecten.

Het uitzonderlijkste energieproject waarin China en Nederland – via de EU – samenwerken, zei Balkenende, is ITER. Dat wereldomspannende project bestudeert of kernfusie een ‘schone, veilige en onuitputtelijk bron van energie’ kan worden. Balkenende noemde het een ‘droom voor de lange termijn’; een ‘uiterst complex project’ dat misschien een doorbraak kan brengen ‘zo belangrijk als de ontdekking van vuur’.

In het heelal is kernfusie een alledaags verschijnsel. Het ‘onzichtbare vuur’ van kernfusie laat sterren stralen. In het hart van de zon levert kernfusie de energie die als warmte en licht (ook) op aarde terechtkomt. Zonder kernfusie was er geen leven geweest.

Maar dat mensen zelf op aarde energie zullen gaan opwekken met kernfusie is niet vanzelfsprekend. Niet dat het nou zo moeilijk is om kernfusie te bewerkstelligen, zegt Niek Lopes Cardozo, hoofd kernfusie van het Instituut voor Plasmafysica in Rijnhuizen en vertegenwoordiger van het Nederlandse onderzoek in ITER. “Als je wat deuterium [zwaar waterstof, MvdH] in een jampotje doet, zal er nu en dan al kernfusie optreden.” Maar dat is op zo’n minieme schaal, dat het nooit bruikbare energie kan opleveren.

De problemen zitten in het grootschalig én gecontroleerd én langdurig opwekken van kernfusiereacties voor energieproductie. En de kernfusiereactor ITER moet daarin de weg wijzen – voor een (begroot) bedrag van 10 miljard euro verspreid over 30 jaar, bijeengebracht door de EU, Japan, de Verenigde Staten, de Russische federatie, Zuid-Korea, India en dus China (in totaal 31 landen). In 2006 zijn de contracten getekend en dit jaar begon de bouw, dichtbij het Franse nucleaire onderzoekscentrum Cadarache (bij Aix-en-Provence).

De, intussen vele, sceptici zijn niet onder de indruk. Er wordt meer dan een halve eeuw aan kernfusie gewerkt, zeggen zij. En altijd zal het er ‘over twintig of dertig jaar’ zijn. Het International Energy Agency zette vorige maand kanttekeningen bij de Europese investeringen in kernfusieonderzoek, juist ook omdat resultaten nog zo ver weg liggen [zie kader].

VERSMELTEN

Kernfusie is het tegenovergestelde van kernsplijting. Bij splijting gaat het om zware atoomkernen die in kleinere kernen uiteenvallen. De kerndeeltjes in die atoomkernen – elektrisch neutrale neutronen en positief geladen protonen – worden dus herschikt en bij dat proces komt energie vrij.

Bij kernfusie gaat het juist om heel lichte atoomkernen, zoals waterstofkernen (die uit één enkel proton bestaan), deuteriumkernen (één proton en één neutron) of tritiumkernen (één proton en twee neutronen). Tijdens het fusieproces versmelten zulke lichte kernen tot iets zwaardere kernen zoals helium (twee protonen en twee neutronen) en ook bij deze herschikking komt energie vrij.

Dan moeten natuurlijk eerst de kernen elkaar zo dicht zijn genaderd dat versmelten mogelijk is, en dat gebeurt niet zomaar omdat positief geladen kernen elkaar juist afstoten. Die barrière kan alleen overwonnen worden als een of allebei de atoomkernen voldoende bewegingsenergie, genoeg vaart hebben.

Om kernfusie langdurig en grootschalig voor elkaar te krijgen, is daarom een plasma nodig: een gloeiend heet gas waarin atomen uit elkaar gevallen zijn tot elektronen en atoomkernen die met (gemiddeld) hoge snelheid kriskras door elkaar bewegen. Bij de hoge druk in het binnenste van de zon treden zo in het plasma voortdurend kernfusieprocessen op bij een temperatuur van ongeveer vijftien miljoen graden. De veel lagere drukken die op aarde mogelijk zijn (een miljard keer lager) vereisen een nóg hogere temperatuur : van 100 miljoen graden.

Maar de kunst is niet alleen om zo’n verschrikkelijk heet plasma te maken. Het lastige is óók om zo’n heet plasma in stand te houden: een heet plasma, of een heet gas, heeft de natuurlijke neiging om uit te dijen en af te koelen – en dan zou het fusieproces weer worden afgebroken. Een plasma simpelweg in een vat opsluiten, gaat al helemaal niet: geen enkel materiaal weerstaat de hitte die bij contact met het plasma wordt overgedragen; en het plasma zelf zou zo’n contact evenmin overleven.

De oplossing kwam in 1950 van de Russische fysici Igor Tamm en Andrej Sacharov, die de ‘tokamak’ ontwierpen. Daarin zit het plasma in een torusvormige vacuümkamer (een ‘donut’), die is omgeven door zware spoelen die sterke magnetische velden opwekken. Die velden, en de wisselwerkingen tussen die velden en de elektrisch geladen deeltjes in het plasma, zorgen ervoor dat het plasma wordt ‘opgesloten’. Ze dwingen het in een compacte vorm en laten het geen contact maken met de wanden.

Andere spoelen, in het hart van de donut, wekken bovendien, zoals in een transformator, een elektrische stroom op in het plasma. De wrijving die dat geeft in het plasma en de warmte die daarbij vrijkomt, dragen (een beetje) bij aan het verhitten van het plasma tot de ontbrandingstemperatuur waarbij kernfusie – in principe – grootschalig in het plasma kan gaan optreden. In de Princeton Large Torus, een tokamak van Princeton University in de VS, naderde een deuteriumplasma in 1978 voor het eerst die ontbrandingstemperatuur met 50 miljoen graden – ruim een kwart eeuw na het eerste tokamak-ontwerp.

ENERGIECONSUMPTIE

Nog eens twintig jaar later, in 1997, leverde de Joint European Torus in het Britse Culham voor het eerst, heel even, fusie- energie. Eén seconde lang werd 16m e g awa t t (mfi ) geleverd. Dat was al met al net genoeg om

Het nieuwe ITER-project, alweer een tokamak, moet vanaf 2018 bewijzen dat nu ook energieproductie mogelijk is. De proefreactor moet via kernfusiereacties een kwartier lang 500 MW kunnen leveren, bij een Q-factor van 10.

“Het verhitten en magnetisch opsluiten van een plasma hebben we nu wel onder de knie”, zegt fusiehoogleraar Lopes Cardozo. “Anders gezegd: we beheersen de effecten op tijdschalen kleiner dan secondes. Bij ITER moeten we de langduriger processen gaan beheersen.”

Daar moet het plasma 1.000 seconden (een kwartier) standhouden terwijl het intussen zichzelf, door de fusiereacties, van binnenuit verwarmt. En de reactorwanden moeten (op tijdschalen van minuten en uren) de hitte kunnen weerstaan die het plasma uitstraalt.

In de eerste jaren zal de ‘donut’ in ITER gevuld worden met een waterstofplasma en daarna een deuteriumplasma. “Dat is voor commerciële kernfusie niet zo interessant”, zegt Lopes Cardozo. Dat komt doordat kernfusie hierin maar langzaam verloopt. Deze plasma’s zijn vooral nuttig om er de tokamak mee te testen en om de werking van het complexe systeem te begrijpen. “En die complexiteit vormt trouwens de derde uitdaging van ITER”, zegt Lopes Cardozo.

Pas als de tokamak begrepen en stabiel is, wordt de donut gevuld met een plasma van deuterium en tritium, dat vijftig keer vaker kernfusiereacties geeft. Lopes Cardozo: “Want die reacties leiden tot radioactiviteit in de wanden (daarover later, MvdH) terwijl ook tritium zelf radioactief is, met een halfwaardetijd van 12,3 jaar. Als er eenmaal tritium in het vat zit, kun je dus niet meer zomaar naar binnen voor een reparatie.”

In de fusiereacties tussen deuterium- en tritiumkernen ontstaat een heliumkern (twee protonen en twee neutronen) en een los neutron (waarover later meer). Die heliumkernen, gemiddeld genomen snel bewegende deeltjes, blijven in het plasma gevangen zitten en verhitten zo het plasma van binnenuit.

“Maar zulke snelle deeltjes kunnen in het plasma ook wervelingen opwekken”, zegt fysicus en Rijnhuizen-voorlichter Mark Tiele Westra. “Om die te onderdrukken en het plasma vele seconden stabiel te houden, zullen we het daarom geregeld heel lokaal en precies, bijna chirurgisch, moeten bijtunen met microgolven.”

Het lastige daarbij is dat een plasma totaal doorzichtig is en niet verraadt wat er binnenin omgaat. De informatie daarover kan dus alleen indirect afgeleid worden uit slimme metingen en ingewikkelde en grootschalige computersimulaties en berekeningen. Westra: “De toegenomen rekenkracht van het laatste decennium heeft ons erg geholpen.”

En de neutronen uit de fusiereacties? Die dragen de energie waarmee later elektriciteit wordt opgewekt. Zij reizen door het plasma en de reactorwand, en komen vervolgens bijna allemaal terecht in een mantel van lithium-6 – hetzelfde spul waar batterijen voor laptops en telefoons van worden gemaakt. Daarin worden ze afgeremd zoals een vrachtwagen in een grindbak.

Maar bovendien vangen lithiumatoomkernen de vertraagde neutronen in. Het gevolg is een kernsplijtingsreactie, waarbij lithium uit elkaar valt in helium en tritium. Dat tritium gaat terug in het plasma, en het hele proces is daarbij zo ontworpen dat de tijdens de kernfusie opgestookte hoeveelheid tritium precies wordt aangevuld. En anders dan bij conventionele kernenergie kan deze reactie niet ontsporen – als de fusie in het plasma stopt, vallen ook de reacties in het lithium stil.

Voor elektriciteitsopwekking is de warmte belangrijk, die in de lithiummantel vrijkomt door het afremmen van de neutronen en bij de kernsplijting. Warmtewisselaars voeren die warmte af en verhitten er water mee tot stoom. Het sluitstuk van al deze hightech bestaat daarna uit beproefde negentiende-eeuwse techniek: stoomturbines die elektriciteit genereren.

ENERGIEOPBRENGST

Gaat dat werken? “Ja, werken gaat iter zeker”, zegt Lopes Cardozo. “In de zin dat in iter zeker een plasma opgesloten zal worden.” Maar of de fusiereactor energie zal produceren, én met een Q-factor van 10, daarover is hij minder stellig. “Als we dat zeker wisten, hoefden we het experiment niet te doen.”

De wanden van de torus waarin het hete plasma wordt opgesloten, zorgen voor een probleem, zeggen Lopes Cardozo en Westra allebei. Ze moeten worden bekleed met hittebestendige tegels die gemiddeld 10 megawatt per vierkante meter warmtebelasting te verduren krijgen. Maar instabiliteiten aan de randen van het plasma zorgen voor grote fluctuaties daarin, waardoor de wanden ook uitschieters tot meer dan 50 MW per vierkante meter moeten verwerken – en daarvoor is geen beproefde oplossing.

Een andere kwestie: de wanden worden gebombardeerd met neutronen uit de kernfusiereacties. Dat moet ze niet bros maken, en ze mogen ook niet al te radioactief worden doordat bij het invangen van een deel van die neutronen (een paar procent) erg veel of lang levende radioactieve isotopen ontstaan.

Dat er in de wanden radioactieve isotopen worden gevormd, is onvermijdelijk. Het gaat er vooral om materialen te vinden waarin die isotopen een niet al te lange halfwaardetijd hebben – zodat geen eeuwenlange opslag nodig is. Die materialen moeten dan ook heel zuiver zijn, en sterk en hittebestendig bovendien. Lopes Cardozo: “De radiotoxiciteit van het afval van kernfusie is na honderd jaar in elke geval tienduizend keer kleiner dan die van kernsplijting”.

KOSTPRIJS

“Het probleem van de wanden gaat vooral spelen bij de volgende stap, als we over commerciële fusie nadenken”, zegt Westra. “Hoe vaker je de wanden moet vervangen, omdat ze zwak worden of te radioactief, hoe duurder de elektrische stroom uit fusie wordt.”

Eerdere schattingen voor die kostprijs kwamen uit op 5 tot 9 cent per kWh elektriciteit. “Voor wat dat waard is”, zeggen Lopes Cardozo en Westra allebei. Al zijn de prijs en de concurrentie met alternatieven wel doorslaggevend bij kernfusie als commerciële toepassing.

Het geregeld vervangen van de wanden zorgt in ieder geval niet voor een CO2-uitstoot die de milieuvoordelen van de reactor teniet doet, zegt Lopes Cardozo. “Fusiereactoren zijn vrij klein. Een tokamak kan rondwentelen in de oven van een steenkolencentrale. Dus de CO2-productie tijdens de bouw is heel beperkt. ”

Lopes Cardozo en Westra schetsen ook allebei het vervolg op ITER. Rond 2035 moeten er demonstratiereactoren worden gebouwd – “ik denk in de EU, Japan en China”, zegt Cardozo. Die moeten laten zien dat het mogelijk is om ook elektriciteit op te wekken in steady state – dus niet steeds een kwartier – maar in volbedrijf, én commercieel rendabel. Maar dat kernfusie niet figureert in energiescenario’s voor rond 2050, dat is terecht, zegt Westra. “Daarvoor zijn de onzekerheden nog te groot.”