Vanwege het coronavirus werken onze medewerkers thuis.
N.B. Het kan zijn dat elementen ontbreken aan deze printversie.
Natuurkunde Tientallen bedrijven houden zich bezig met kernfusie. Gaat het ze lukken om hiermee energie op te wekken? „Er zullen misschien één of twee grote winnaars zijn.”
Een cilindervormige machine van bijna vier meter hangt vol met kabels. Er ligt wat gereedschap op de vloer en er staat een ladder naast de machine. De kernfusiereactor van het bedrijf Tokamak Energy bij Oxford in het Verenigd Koninkrijk krijgt op dit moment een flinke opknapbeurt, waarbij er onder meer nieuwe regel- en meetsystemen worden aangesloten.
Een paar maanden geleden was het hier nog heter dan de zon. De kernfusiereactor verhitte toen een plasma tot 100 miljoen graden Celsius. Een betonnen muur van 60 centimeter dik beschermde medewerkers tegen straling en krachtige magneetvelden.
Het is de hoogste temperatuur ooit gehaald in een private kernfusiereactor. En een belangrijke stap naar het uiteindelijke doel van Tokamak Energy: fusie-energie opwekken voor het elektriciteitsnet. Over tien tot vijftien jaar moet dat lukken, denkt het bedrijf. Als dat lukt, dan is het kleine Tokamak Energy sneller dan de grote door overheden gefinancierde kernfusieprojecten.
Al decennia werken onderzoekers aan het op gang brengen van kernfusie op aarde. De beloftes zijn groot: kernfusie produceert geen broeikasgassen en is onafhankelijk van het weer. Fusiereactoren zijn veiliger dan de huidige kernsplijtingsreactoren. En ze produceren minder radioactief afval, dat bovendien na ongeveer honderd jaar niet meer schadelijk is, terwijl kernsplijtingsafval honderdduizenden jaren veilig moet worden opgeborgen. Bovendien levert één gram fusiebrandstof net zoveel energie als vier ton olie.
Dat er nog niet in elk land zonnetjes staan te branden in reactoren, heeft alles te maken met de complexiteit van de technologie.
Bij kernfusie versmelten lichte atoomkernen samen tot zwaardere. Hierbij komt veel energie vrij. In de zon fuseren waterstofkernen stapsgewijs tot helium. De druk en dichtheid die daarvoor nodig zijn, zijn onhaalbaar op aarde. Daarom fuseren kernfysici op aarde deuterium- en tritiumkernen (zware varianten van waterstof) direct tot helium. Die reactie op gang brengen lukt al decennia, bijvoorbeeld in een waterstofbom of in de onderzoeksreactor van het Europese fusie-experiment Joint European Torus (JET) in het VK – waar eerder dit jaar een recordhoeveelheid fusie-energie werd opgewekt.
Maar een commerciële fusiereactor bouwen die gecontroleerd en stabiel energie kan opwekken, blijkt complex. Niemand is het gelukt netto meer energie te produceren dan nodig is om de fusiereactie aan de gang te houden. Zodra dat lukt, is het een kwestie van vrijgekomen energie omzetten in warmte en daarmee water verdampen tot stoom. Daarmee kan ten slotte een standaard stoomturbine worden aangedreven om elektriciteit op te wekken.
De afgelopen decennia was de ontwikkeling van fusietechnologie voorbehouden aan grote, door overheden gefinancierde onderzoeksprogramma’s waar universiteiten en onderzoeksinstituten samenwerken. Die proberen kernfusie te realiseren in haast megalomane projecten zoals de Amerikaanse National Ignition Facility (NIF), waar 192 krachtige lasers een klein bolletje brandstof tot fuseren brengen, en de internationale samenwerking ITER, die een gigantische fusiereactor bouwt in Zuid-Frankrijk. Bij NIF ligt de focus op onderzoek naar omstandigheden – temperatuur en druk – waarbij fusie plaatsvindt voor onder meer astrofysisch en kernwapenonderzoek. ITER moet over vijftien jaar tien keer meer vermogen opwekken dan erin gaat om de fusiereactie op gang te houden. Dat klinkt veelbelovend, maar deze reactor zal nog geen stroom leveren aan het net. Dat lukt volgens de projectplanning pas over ruim dertig jaar, met ITER’s opvolger DEMO.
Dit duurt sommigen te lang. De afgelopen jaren verschenen er wereldwijd ruim dertig, voornamelijk privaat gefinancierde, start-upbedrijven die fusie-energie beloven op manieren die sneller, slimmer en vaak goedkoper zijn dan de overheidsprojecten. De meeste, waaronder Tokamak Energy, denken dat in de jaren dertig de eerste fusie-energie het elektriciteitsnet in zal stromen.
„Hoe meer zielen hoe meer vreugd”, zegt Heather Lewtas, hoofd innovatie bij United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA). De oprichters van Tokamak Energy werkten eerder bij UKAEA. „Fusie-energie commercieel realiseren is een complex probleem dat baat heeft bij verschillende benaderingen. Daarom is het fantastisch dat bedrijven werken aan verschillende fusietechnieken.”
Wij proberen extreem sterke magneetvelden op te wekken in een apparaat dat zo compact mogelijk
„Het idee was altijd al dat fusiereactoren voor energiecentrales uiteindelijk door de industrie gebouwd worden”, vertelt kernfusieonderzoeker Niek Lopes Cardozo van de TU Eindhoven. „De vraag was: wanneer is de tijd rijp om de stap van overheidsgefinancierde onderzoeksprogramma’s naar de industrie te maken? De start-upbedrijven denken dat dat moment er nu is. Je zou kunnen zeggen dat dankzij het onderzoekswerk voor ITER het kennisniveau bereikt is dat nodig is om over te schakelen op een meer industriële aanpak.”
Ook investeerders, die de druk van klimaatverandering voelen, lijken te denken dat de tijd rijp is. „Er worden miljarden gestoken in deze bedrijven”, zegt Lopes Cardozo. En dat kan lonen. „Er hoeft er maar één succesvol te zijn en je hebt dertig jaar gewonnen ten opzichte van de overheidsprogramma’s.”
Dat was niet altijd het doel van Tokamak Energy. „We richtten het bedrijf in 2009 op om bolvormige fusiereactoren te maken voor wetenschappelijk onderzoek”, vertelt David Kingham, vicevoorzitter bij Tokamak Energy. „In 2011 zagen we dat supergeleidende materialen die bij een relatief hoge temperatuur werken, steeds beter werden. We realiseerden ons dat onze bolvormige machine, gecombineerd met deze supergeleiders, een pad kan zijn naar een commerciële fusiereactor.”
De bedrijven werken allemaal aan andere technologieën. Een fusiereactor ontwerpen kent een aantal uitdagingen met verschillende mogelijke oplossingen. Allereerst moet je de fusiereactie op gang brengen tussen deuterium en tritium. Omdat die deeltjes allebei positief geladen zijn, stoten ze elkaar af. Pas bij een temperatuur van ongeveer 150 miljoen graden Celsius (bijna tien keer heter dan het binnenste van de zon) hebben ze genoeg snelheid om op elkaar te botsen en te fuseren. Geen enkel materiaal kan die temperatuur aan, dus het deuterium-tritiumplasma mag niet in aanraking komen met de reactorwand. Tegelijkertijd moet de fusie meer energie opwekken dan erin ging. Dat kan op twee manieren. De eerste is door fusie een fractie van een seconde te laten plaatsvinden in een klein bolletje plasma waarin je de druk zo hoog maakt dat er in die korte tijd genoeg atomen fuseren. Deze strategie – hetzelfde principe als de waterstofbom – gebruikt het overheidsproject NIF. De andere methode is om fusie zo lang mogelijk op gang te houden zodat er genoeg reacties plaatsvinden om voldoende energie op te wekken. In dat geval moet je het zinderende plasma langere tijd in de reactor laten zweven, terwijl het geen contact maakt met de wanden. Dit is mogelijk door het op te sluiten met sterke magneetvelden. JET en ITER werken met deze zogeheten magnetische opsluiting.
Beeld van het experiment waarbij de reactor 100 miljoen graden Celsius haalde.
De meeste bedrijven, waaronder Tokamak Energy, werken ook aan magnetische opsluiting. Daarbij zijn verschillende reactorontwerpen mogelijk. „Wij proberen extreem sterke magneetvelden op te wekken in een apparaat dat zo compact mogelijk is, zodat ons uiteindelijke ontwerp kleiner en betaalbaarder is dan ITER en DEMO”, vertelt David Kingham terwijl we de controlekamer inlopen. De ruimte is leeg, omdat de reactor uit staat. Op de schermen spelen de videobeelden van het experiment waarbij de reactor 100 miljoen graden Celsius haalde met een plasma dat enkel uit deuterium bestond. De video toont de binnenkant van de bolvormige tokamakreactor met in het midden een soort paal. De reactor lijkt leeg tot de randen opeens helder oplichten, gevolgd door een werveling van licht die om de paal wikkelt. „Dit is vertraagd afgespeeld. De plasmapuls duurde maar 200 milliseconden”, vertelt Kingham. Pas op het laatste moment zenden de randen van het plasma zichtbaar licht uit.
Het verschil tussen de tokamak van ITER en deze bolvormige tokamak is de vorm van het vacuümvat waarin het plasma zweeft. Die heeft bij ITER de vorm van een donut, terwijl die van Tokamak Energy meer lijkt op een appel waar het klokhuis uit verwijderd is met een appelboor. Een bolvormige tokamak is in theorie efficiënter en kan het plasma langere tijd heet en stabiel houden. Door de compactere vorm is het wel lastiger om het plasma bij de wanden vandaan te houden. Tokamak Energy doet daarom nog veel onderzoek naar controlesystemen die razendsnel de magneetvelden kunnen aanpassen om het plasma naar het midden te dwingen.
Er zullen misschien één of twee grote winnaars zijn
De huidige reactor van Tokamak Energy, ST40, gebruikt hiervoor nog ‘gewone’ koperen magneten, maar in 2026 moet hier een prototype staan van een bolvormige tokamak met hogetemperatuursupergeleidende magneten. „Daarmee kunnen we sterkere magneetvelden opwekken bij een hogere temperatuur dan mogelijk is met de magneten die ITER gaat gebruiken”, vertelt Marcel Kruip, magneetingenieur bij Tokamak Energy. „En als je magneetvelden sterker zijn, dan kan je de machine kleiner maken. Je hoeft deze magneten bovendien ‘slechts’ tot -253°C in plaats van -269°C te koelen. Bovendien zijn ze robuuster.” Deze supermagneten zijn nog geen vijftien jaar geleden ontwikkeld. „Het supergeleidende materiaal is wel duurder dan de magneten van ITER, maar omdat de magneten kleiner zijn, wordt de reactor compacter en ben je uiteindelijk goedkoper uit. En je bespaart op je koelingskosten ”, zegt Kruip.
Plasma in bedwang houden is niet het enige waar onderzoekers mee worstelen. De reactoren moeten ook tritium kunnen produceren. Van de twee fusiebrandstoffen is deuterium in overvloed aanwezig in zeewater. Tritium is daarentegen schaars. Je kunt tritium maken door lithium, wat bijvoorbeeld gebruikt wordt voor batterijen, te bestralen met neutronen (ongeladen kerndeeltjes). Dat komt goed uit, want er ontstaan neutronen tijdens de fusiereacties. Als je de reactorwanden weet te bedekken met lithium, dan kan je daarin tritium ‘kweken’. De verschillende fusie-ontwerpen werken aan verschillende manieren om tritium te kweken, van lithium dat verwerkt wordt in wanden tot lithium-douches.
Een ander probleem zijn de energierijke neutronen die vrijkomen bij de fusiereactie. Het materiaal waar die mee in contact komen, zoals de reactorwand, wordt radioactief en degradeert. Dat betekent dat je het regelmatig moet vervangen. Sommige bedrijven, zoals First Light Fusion, lossen dat op door hun fusiebrandstof te omhullen met een douche van vloeibaar lithium waardoor de neutronen de wand niet bereiken en tegelijkertijd tritium produceren. Maar alle oplossingen bestaan enkel nog op papier. Het is nog een uitdaging om tot een ontwerp te komen omdat er veel lithium nodig is om neutronen te stoppen en je moet neutronen efficiënt kunnen inzetten om voldoende tritium te produceren.
David Kingham bij een grote magneet.
Zowel bedrijven als overheidsprojecten kampen grotendeels met dezelfde uitdagingen. Waarom denken de kleine bedrijven dat ze toch sneller fusie-energie mogelijk kunnen maken? „De meeste fusiebedrijven hebben de instelling: je moet duizenden fusiereactoren kunnen bouwen om een nuttige bijdrage te leveren aan het energiesysteem”, vertelt Niek Lopes Cardozo. „Dat betekent dat je de eerste tien reactoren alleen maar bouwt om ervan te leren hoe je de volgende moet bouwen. Die eerste hoeven dus niet perfect te zijn.” Dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld ITER. Die reactor is ontworpen om zeker dertig jaar mee te gaan als onderzoeksfaciliteit. Daar moet dus bijna alles aan kloppen en het apparaat moet lang meegaan. Dat hoeft bij bedrijven niet. Die reactoren zijn soms maar een halfjaar in gebruik.
Zo is de ST40 reactor het derde apparaat dat Tokamak Energy in tien jaar tijd heeft gebouwd en over vier jaar staat de volgende klaar. „Eigenlijk raken wij onze interesse in een apparaat kwijt zodra het werkt”, zegt David Kingham. „Je leert het meeste van de test die je doet als je hem voor het eerst aanzet.”
Veel bedrijven zullen het einddoel niet halen. „Een aantal fusiebedrijven zal succesvol zijn met een deel van hun technologie”, zegt Kingham. „En er zullen misschien één of twee grote winnaars zijn die echt cruciale technologie blijken te bezitten. Wij denken natuurlijk dat onze bolvormige tokamak met hogetemperatuursupergeleiders dat is, maar daar denken anderen anders over. Ik denk ook niet dat een complete centrale door één bedrijf wordt gebouwd. Het is veel waarschijnlijker dat het een consortium is.” En daarin blijft een rol weggelegd voor de overheidsprogramma’s, die zich niet alleen richten op de fusietechnologie, maar ook op de aansluiting van een dergelijke energiecentrale op het elektriciteitsnet, zegt Heather Lewtas. „Bedrijven focussen op een deel van de technologie. Wij kijken naar het geheel; hoe je alle onderdelen samenbrengt. Uiteindelijk zullen de bedrijven bij ons aankloppen, zodra ze die kennis nodig hebben.”
Het grootste gedeelte van de fusiebedrijven is Amerikaans, maar ook Europa, Canada, Japan, India, China, Australië en het Verenigd Koninkrijk doen mee. Elk jaar komen er nieuwe bij. Sommige trekken honderden miljoenen aan van investeerders. Dit zijn zowel steenrijke individuen als bedrijven. Gezamenlijk haalden de bedrijven bijna vier miljard euro op aan voornamelijk private financiering – slechts een klein deel is overheidsfinanciering. Dat blijkt uit een onderzoek van Fusion Industry Association eind 2021 onder 23 fusiebedrijven, waarvan er achttien informatie gaven over hun financiering. Slechts vijf bedrijven – de Amerikaanse Commonwealth Fusion Systems, Helion Energy, TAE Technologies, de Canadese General Fusion en de Engelse Tokamak Energy – nemen 90 procent van deze financiering voor hun rekening.
Universiteit van Oxford spin-off First Light Fusion, eveneens in het VK gevestigd en opgericht in 2011, werkt aan een compleet andere technologie dan Tokamak Energy. Hun methode lijkt meer op die van het Amerikaanse overheidsproject NIF, maar dan zonder de lasers. „Bij ons zit de ontwikkeling niet in de energiecentrale, maar vooral in de brandstof”, vertelt Bart Markus, Chairman bij First Light Fusion.
Het bedrijf ontwikkelt een zogeheten target van acht kubieke centimeter groot met binnenin een druppeltje fusiebrandstof. Door daar met twintig kilometer per seconde een projectiel op te schieten, ontstaat er een schokgolf waardoor de brandstof met zoveel kracht wordt samengedrukt dat fusie start. In de toekomst moet lithium dat langs de wanden van de reactor stroomt de energie en neutronen die daarbij vrijkomen absorberen. Een warmtewisselaar draagt de warmte die zo ontstaat over aan water, dat verdampt tot stoom en een turbine aandrijft om elektriciteit op te wekken. De energie-opwekking is bij deze techniek gepulseerd. Elke 30 seconden wordt er een nieuw target beschoten. Volgens First Light Fusion kan je daarmee een energiecentrale laten draaien.
Begin april kwam First Light Fusion naar buiten met het resultaat dat ze voor het eerst fusie hadden gerealiseerd met hun target. Dit is bevestigd door onderzoekers van UKAEA. „Dat de fysica van de target werkt hebben we nu aangetoond”, zegt Markus. „En daar zat de grootste uitdaging in. Daarom denk ik dat dit de weg is naar commerciële kernfusie-energie.”
Heeft u een tip over dit onderwerp, ziet u een spelfout of feitelijke onjuistheid? We stellen het zeer op prijs als u ons daarover een bericht stuurt. U kunt ons ook anoniem een tip geven.