Manhaftig jagen op een fantastische droom

Het levert schone en bijna onbeperkte energie, maar beheersing van de fusiereactie is een project van lange adem.

Foto LLNL

Kernfusie, bekend van zon en waterstofbom, belooft overvloedige kernenergie zonder meltdowngevaar, langdurig radioactief restafval of oprakende brandstofvoorraden. Theoretisch is het mogelijk, maar het opwekken van gecontroleerde kernfusie is lastiger dan gedacht. ‘Kernfusie ligt altijd vijftig jaar in de toekomst’, moeten kernfusieonderzoekers regelmatig tandenknarsend aanhoren.

Volgens de planning van ITER, de experimentele kernfusiereactor die in Zuid-Frankrijk verrijst, moet de eerste kernfusiereactie rond 2030 plaatsvinden. Over zestien jaar dus, maar brede, praktische toepassing in energiecentrales gaat natuurlijk langer duren. Dat wordt 2040, voorspelt de Amerikaans-Europees-Japans-Chinees-Koreaans-Indiase organisatie zelf.

Het leek ooit zo makkelijk. Na de eerste atoombom in 1945, gebaseerd op splijting van zware plutonium- en uraniumkernen, was de eerste kernreactor in 1951 een feit. Dus na de eerste waterstofbom in 1952, met de destructieve kracht van kernfusie van waterstofatomen, leek vijftig jaar aan de voorzichtige kant.

In het kielzog van de atoomwapenprogramma’s begonnen de Sovjet-Unie en de VS met fusieonderzoek, gevolgd door Groot-Brittannië, Frankrijk en in 1959 ook Nederland met onderzoeksinstituut Rijnhuizen bij Utrecht, het tegenwoordige FOM Differ.

Het idee was om waterstofatomen te verhitten tot een plasma van miljoenen graden onder hoge druk. In een plasma zijn de negatief geladen elektronen losgeslagen van de positieve atoomkernen, die elkaar onderling afstoten. Maar door de immense temperaturen zouden ze toch hard genoeg op elkaar botsen om die afstoting te overwinnen, en samen te smelten.

In de meest toegankelijke fusiereactie versmelten ‘zwaar’ waterstof ofwel deuterium (D), en de radioactieve variant tritium (T) tot een alfadeeltje, ofwel een heliumkern, plus een neutron, een neutraal kerndeeltje. Het alfadeeltje neemt daarbij de meeste vrijgekomen energie met zich mee.

Maar het beheersen van de hete plasma’s met elektrische stromen en magnetische velden bleek lastiger dan verwacht. Onbegrepen instabiliteiten en energieverliezen verpestten de reactie lang voordat de benodigde extreme omstandigheden in zicht waren.

Donutvormig

Een doorbraak was een nieuw type reactievat, de donutvormige Tokamak, bedacht door de Russische kernfysici Igor Tamm en Andrej Sacharov (ook de geestelijke vader van de Sovjet-waterstofbom). Met een tokamak (acroniem voor ‘toroïdale kamer met magnetische spoelen’) was het plasma veel langer heet en stabiel te houden.

Nadat Britse onderzoekers in 1968 naar Novosibirsk reisden en bevestigden dat de Russen daarmee de 10 miljoen graden hadden gehaald, veroverde de tokamak in de jaren zeventig de westerse fusie-instituten (met uitzondering van Rijnhuizen, dat te klein was voor zo’n grote installatie).

De techniek vordert sindsdien traag maar gestaag. In de Joint European Torus (JET), de Europese tokamak met een diameter van 6 meter bij Oxford, werd in 1997 even 16 megawatt aan kernfusie opgewekt.

„Maar het moment dat je echt kernfusie wilt doen stel je liefst zo lang mogelijk uit”, zegt fysicus Tony Donné van Differ, hoofd van het Nederlandse kernfusie-onderzoek en verbonden met ITER. „Zo gauw je een kernreactie opwekt, maken de neutronen de wand van de reactor radioactief, en dan is het daarna veel lastiger werken”, zegt Donné.

De ITER-reactiekamer wordt weer een slagje groter dan JET, en krijgt een diameter van 19,4 meter. Uiteindelijk moet ITER 500 megawatt fusie-energie produceren in ‘schoten’ van rond een kwartier lang. Met hulp van de geproduceerde neutronen kan het veelvoorkomende element lithium ‘opgekweekt’ worden tot tritium, een radioactieve vorm van waterstof die van nature nauwelijks voorkomt. De andere fusiebrandstof deuterium is gewoon te vinden in zeewater.

„Technisch gezien is het mogelijk”, weet Donné, en ITER gaat vooral om het beheersbaar maken van wat wetenschappelijk al is aangetoond: het toevoeren en afvoeren van energie aan de reactor, het toevoeren van brandstof, afvoeren van de ‘as’, helium, en kweken van tritium.

Een uit de hand lopende kettingreactie of meltdown, zoals bij kernsplijtingsreactoren, is bij ITER niet mogelijk. Wel wordt het wandmateriaal radioactief en moet het rond de honderd jaar uitstralen voor het weer veilig is.

Concurrerende technieken zijn allemaal in een experimenteel stadium (of pure pseudowetenschap). Naast de implosieproeven van het National Ignition Facility in de VS, en vergelijkbaar onderzoek in Groot-Brittannië en Frankrijk, is er de Z Machine van Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico, ook al een erfgenaam van het kernwapenprogramma.

Hierin wordt een elektrische stroompuls van 16 miljoen ampère gebruikt om extreme magneetvelden op te wekken om een cilindervormige ‘hohlraum’ te laten imploderen. Een brandstofpellet in de cilinder, nog extra beschenen met laserlicht, moet daarbij tot kernfusie komen. Ook hier is kernfusie op kleine schaal aangetoond, maar ontsteking is nog ver weg.