Recordhoeveelheid energie opgewekt met Europees experiment kernfusie

De grootste experimentele kernfusiereactor ter wereld heeft een recordhoeveelheid fusie-energie opgewekt. De resultaten zijn veelbelovend voor kernfusie als veilige en schone energiebron. Dat is woensdag bekendgemaakt.

Het Europese fusie-experiment Joint European Torus (JET) produceerde in vijf seconden 59 megajoule aan warmte-energie; een ruime verdubbeling van het vorige record van 21,7 megajoule uit 1997 – eveneens door JET. Het is vergelijkbaar met de hoeveelheid elektrische energie die een tweepersoons huishouden in twee dagen verbruikt. JET gebruikte hiervoor 0,18 milligram fusiebrandstof. „Voor dezelfde hoeveelheid energie zou je ruim een kilogram aardgas of bijna vier kilogram bruinkool nodig hebben”, vertelt Tony Donné, programmamanager van EUROfusion – het consortium dat het experiment uitvoerde.

In navolging van het kernfusieproces dat de zon aandrijft, proberen onderzoekers al decennialang atoomkernen gecontroleerd te laten fuseren om gebruik te kunnen maken van de grote hoeveelheid energie die hierbij vrijkomt. Er zijn succesvolle fusie-experimenten geweest, maar het is nog nooit gelukt om er meer energie mee te produceren dan er in totaal in gaat om de reactie op gang te brengen.

Donutvormige ruimte

Het nieuwe record brengt daar geen verandering in. Toch zijn de resultaten goed nieuws voor de grotere experimentele kernfusiereactor ITER die in aanbouw is in Zuid-Frankrijk. ITER – een wereldwijde samenwerking – moet vanaf 2035 meer energie gaan opwekken dan nodig is om de fusie opgang te brengen. „Maar ook ITER zal geen elektriciteit leveren”, zegt Donné. „Dat gaat pas gebeuren met DEMO die gepland staat voor 2055.”

Lees een reportage over ITER: Een zon bouwen aan de Côte d’Azur

„JET is de machine die ITER het meest benadert”, zegt Egbert Westerhof van het Eindhovense onderzoeksinstituut Differ en betrokken bij EUROfusion. Net als ITER is JET een zogeheten tokamakreactor, die bestaat uit een donutvormige ruimte met daarin de fusiebrandstof. Daaromheen staan krachtige magneten die het gloeiend hete brandstofplasma gevangen houden. De brandstof bestaat uit deuterium en tritium, zware varianten (isotopen) van waterstofatomen. Die fuseren bij voldoende hoge druk, dichtheid en temperatuur tot heliumatoomkernen. In JET gebeurt dit bij een temperatuur van 150 miljoen graden, tien keer heter dan de zon.

Die temperatuur wordt stapsgewijs bereikt. Eerst door een sterke stroom door het plasma te laten lopen. En vervolgens door het verder te verhitten met radio- of microgolfstralen en bundels energierijke neutrale deeltjes. Deze technieken zal ITER ook gebruiken.

Het duurde bijna 25 jaar voordat JET diens eigen energierecord brak, omdat de machine een opknapbeurt kreeg. Het verhittingsvermogen is opgevoerd en de oude reactorwand is vervangen door een metalen wand van wolfraam en beryllium, materialen die ITER ook zal gebruiken.

De grenzen van JET

Na de opknapbeurt werd er eerst getest met deuteriumplasma. „We wilden de invloed van de nieuwe wand goed begrijpen voordat we met fusie-experimenten begonnen”, vertelt Donné. „Na fusie-experimenten is de reactor namelijk een beetje radioactief. Dat betekent dat je enkele weken de machinehal niet in kan. Bovendien is tritium schaars en duur.” Toekomstige fusiereactoren lossen dit op door zelf tritium te vormen uit lithium.

Met het record zijn de grenzen van JET opgezocht. „Na die vijf seconden moesten we stoppen, anders raken de magneten oververhit”, vertelt Donné. „JET gebruikt nog koperen spoelen uit 1983 die gekoeld worden met water. ITER zal ontladingen van ruim een kwartier aankunnen, dankzij supergeleidende spoelen die nauwelijks opwarmen.”

„Het record is leuk, maar daar ging het niet alleen om”, zegt Westerhof. „Met de experimenten hebben we onze theoretische modellen kunnen testen.” De JET-resultaten bevestigen dat de onderzoekers op de goede weg zijn. De metalen wand voor ITER lijkt een goede keus en de modellen die het plasmagedrag voorspellen lijken te kloppen. De aanwezigheid van tritium lijkt het plasma zelfs extra te stabiliseren, wat goed nieuws is.

„Het zijn spannende resultaten”, zegt Josefine Proll van de TU Eindhoven, die theoretisch onderzoek doet naar stellaratoren, een andere vorm van fusiereactoren. „In het record komt het jarenlange werk en onderzoek mooi samen. De onderzoekers tonen dat ze alles uit JET kunnen halen wat erin zit. Dat geeft vertrouwen dat dat met ITER ook gaat lukken.”