Een nieuwe mijlpaal in kernfusie-onderzoek, maar wanneer levert een kernfusiereactor ook elektriciteit aan het net?

Kernfusie wordt al langer aangekondigd als dé energieoplossing voor de toekomst. Het is het veiligere en niet-radioactieve broertje van kernsplijting die in alle tot nog toe werkende kernreactoren wordt gebruikt. In tegenstelling tot kernsplijting, is kernfusie tot nog toe vooral erg theoretisch gebleven. De voordelen van fusie tegenover splijting zijn nochtans groot.

Klassiek radioactief kernafval zoals bij kernsplijting is er niet. Door de fusiereactie wordt de reactor zelf wel een beetje radioactief, maar het materiaal kan al binnen honderd jaar weer veilig hergebruikt worden. Hoogactief afval bij kernsplijting kan honderdduizenden jaren radioactief blijven.

"Het restproduct bij kernfusie is helium", legt Ongena uit, "maar dat is niet radioactief, reageert niet chemisch in de atmosfeer en is geen broeikasgas waardoor het niet bijdraagt aan de klimaatverandering. Het is ook veiliger. Een ongeval zoals Tsjernobyl is onmogelijk, omdat de techniek niet gebaseerd is op een kettingreactie die uit controle kan raken."

De enige functionerende kernfusiereactoren die we momenteel kennen, zijn de sterren met als dichtste voorbeeld natuurlijk de zon. Daarin worden atoomkernen bij zeer hoge temperaturen versmolten. Wanneer lichtere elementen versmelten tot een zwaarder element, komt daar enorm veel energie bij vrij. Dat is de warmte en het licht dat de zon (of een andere ster) dus uitstraalt.

Wetenschappers proberen al langer dat procedé hier op aarde na te maken. Alleen is het onmogelijk om dezelfde druk te creëren als op de zon. Ter compensatie wordt de temperatuur fors opgedreven. Een paar gram waterstof wordt zo verhit tot 150 miljoen graden Celsius, dat is tien keer heter dan het centrum van de zon. Onder die extreme temperaturen verandert de brandstof in een plasma en vinden er fusiereacties plaats.

Zo werkt het (infografiek via UKAEA):

"Doordat we isotopen van waterstofatomen (red.  deuterium en tritium) gebruiken en we er zeer weinig nodig hebben voor een enorme hoeveelheid energie, is de brandstof quasi onuitputtelijk", legt de kernfysicus uit. Per kilogram brandstof zou zo in theorie 10 miljoen keer meer energie vrijkomen dan bij de verbranding van fossiele brandstoffen als kolen, olie of gas.

Eind jaren 70 is in de buurt van Oxford in het Verenigd Koninkrijk de Joint European Torus (JET) gebouwd. Het begon als project van de Europese Atoomgemeenschap (Euratom), maar is intussen uitgegroeid tot een breder internationaal consortium onder de naam Eurofusion met naast 25 EU-lidstaten ook onderzoekscentra uit het Verenigd Koninkrijk, Oekraïne en Zwitserland.

De JET is momenteel de grootste fusiemachine ter wereld. Het is een zogenoemde tokamak, een donutvormig apparaat waarin het plasma met sterke magnetische velden op z’n plaats wordt gehouden. De enorme machine lijkt zo weggelopen uit een sciencefictionfilm.

Het is in de JET dat ze er nu dus in geslaagd zijn om gedurende 5 seconden lang via fusiereacties een stabiele hoeveelheid van 59 megajoule te produceren. Dat is een recordaantal en meer dan een verdubbeling van het vorige record uit 1997.

Aan het experiment hebben 4.800 wetenschappers, ingenieurs, technici en studenten uit heel Europa meegewerkt. Voor ons land werkte onder meer het laboratorium voor plasmafysica van de Koninklijke Militaire School mee.

5 seconden dat klinkt natuurlijk niet zo lang, maar volgens de betrokken wetenschappers is het nog maar het begin. "Nu we een continue productie van fusie-energie gedurende vijf seconden hebben aangetoond, opent dit de weg naar vijf minuten en later naar vijf uur continu productie", meldt Eurofusiontopman Tony Donné enthousiast in een persbericht.

"Die 5 seconden zijn wat technisch maximaal mogelijk is met deze machine", legt Ongena uit aan onze redactie. "Om het nog langer te doen is een grotere fusiemachine nodig." 59 megajoule is ook niet zo gek veel energie. Dat is goed voor het verbruik van een gemiddeld Vlaams gezin gedurende... anderhalve dag.

"Het belang van het experiment was vooral om aan te tonen dat het fusieproces niet alleen een fractie van een seconde werkt, maar continu kan werken en dan ook energie blijft leveren", legt de kernfysicus uit. Het ging dus niet zozeer om de exacte hoeveelheid energie, maar vooral om de haalbaarheid van de techniek te bewijzen.

De JET is overigens verre van de enige plaats in de wereld waar aan kernfusie-onderzoek wordt gedaan. In Duitsland bijvoorbeeld staat in het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald de zogenoemde Wendelstein 7-X (W7-X).

Dat is trouwens geen tokamak, maar een "stellarator" en maakt gebruik van een ingewikkeld systeem van magnetische wikkelingen, om het plasma op zijn plaats te houden. Ook daar hebben ze al wat successen gekend in de ontwikkeling van kernfusie.

De volgende stap van het onderzoek zal plaatsvinden in het zuiden van Frankrijk. Daar is in Saint-Paul-lès-Durance al sinds 2013 de International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in aanbouw, een grote experimentele fusiereactor. Het project heeft al heel wat kritiek gekregen, omdat het al erg veel geld gekost heeft voor een technologie die nog niet veel heeft bewezen.

Niet onbelangrijk detail is namelijk dat het voorlopig nog meer energie kost om de temperaturen te bereiken die nodig zijn om het plasma te doen ontstaan, dan er energie wordt geproduceerd. Dat zou aan de beperkingen van JET liggen en opgelost moeten zijn met ITER. "Die zou wel veel meer energie moeten opwekken dan er wordt ingestopt", zegt Ongena. Al blijft het natuurlijk wel afwachten of die beloftes effectief worden ingelost.

De werf van ITER in september vorig jaar:

De geschatte kostprijs zou intussen opgelopen zijn tot zowat 15 miljard euro. "Europa neemt bijna de helft van de bouwkosten voor zijn rekening, terwijl de andere zes leden in deze internationale samenwerking (China, India, Japan, Zuid-Korea, Rusland en de Verenigde Staten) elk ongeveer 10 procent van de kosten dragen", meldt het persbericht daarover. Ter vergelijking, het eerder vernoemde Duitse experiment kostte "slechts" 1 miljard euro.

Ongena verwacht dat ITER over een jaar of 5 operationeel zal zijn en een jaar of 20 zal gebruikt worden om de kernfusietechniek voort te ontwikkelen. "Ondertussen plannen we al de volgende stap, een echte demonstratiereactor", legt de kernfysicus uit. "Die commerciële EU DEMO-reactor moet in principe elektriciteit leveren aan het net. Als alles goed gaat, zou dat tegen 2050 moeten lukken." Andere experts vrezen dat het misschien nog langer zou kunnen duren.

Een echte kernfusiereactor is met andere woorden nog verre toekomstmuziek. Een oplossing op korte termijn voor pakweg de kernuitstap (met kernsplijting) is het dus niet. "Op korte termijn zullen we met andere oplossingen moeten voort doen", besluit Ongena, "maar op (red. erg) lange termijn hebben we mogelijk zicht op een bijkomende stabiele bron van veilige, milieuvriendelijke en bijna onuitputtelijke energie".

Wil je nog meer weten? De Universiteit van Vlaanderen heeft eerder deze maand deze uitlegvideo gemaakt over kernfusie: