Recente doorbraken bij het Duitse Wendelstein 7-X en de Joint European Torus suggereren dat de tot nu toe ongrijpbare droom van gecontroleerde kernfusie binnen handbereik zou kunnen zijn.
Beeld: Binnenkant van de JET-tokamak. Credit: EUROfusion
Een kronkelend lint van waterstofgas dat vele malen heter is dan het oppervlak van de zon heeft wetenschappers een voorlopige blik gegund op de toekomst van gecontroleerde kernfusie — een tot nu toe theoretische bron van relatief schone en overvloedige energie die door zeewater kan worden gevoed.
Het ‘lint van waterstofgas’ was een plasma in de Duitse Wendelstein 7-X. Dat is een geavanceerde kernfusiereactor die afgelopen mei een record vestigde door het superhete plasma maar liefst 43 seconden lang magnetisch ‘op te sluiten’. Dat is vele malen langer dan ooit tevoren in deze reactor was gelukt.
Vriendschappelijke rivaliteit
Er wordt vaak gegrapt dat kernfusie nog maar dertig jaar van ons verwijderd is – en dat dat altijd zo zal blijven. Maar de laatste resultaten suggereren dat wetenschappers en ingenieurs eindelijk de voorspelling beginnen in te halen. ‘Ik denk dat het nu waarschijnlijk nog zo’n 15 tot 20 jaar van ons verwijderd is’, zegt Tony Roulstone, nucleair ingenieur aan de Universiteit van Cambridge, die niet betrokken was bij de Wendelstein-experimenten. ‘De supergeleidende magneten [die de onderzoekers gebruiken om het plasma op te sluiten] maken het verschil.’
Hoewel het recente resultaat van Wendelstein veelbelovend is, wordt het nu betwist door Britse onderzoekers. Zij zeggen dat de grote Joint European Torus (JET) kernfusiereactor nabij het Engelse Oxford bij zijn laatste experimenten voor het buiten gebruik stellen in december 2023 nog langere opsluittijden bereikte — tot wel 60 seconden. Deze resultaten zijn tot nu toe stilgehouden, maar zullen binnenkort worden gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift.
Volgens een persbericht van het Max Planck Instituut voor Plasmafysica in Duitsland maken de nog ongepubliceerde gegevens van de Wendelstein-reactoren en JET-reactoren hen tot ‘gezamenlijke koplopers’ in de wetenschappelijke zoektocht om een kernfusiereactor continu te laten werken bij extreem hoge temperaturen. Toch merkt het persbericht op dat het plasmavolume van JET drie keer zo groot was als dat van de Wendelstein-reactor, wat JET een voordeel zou hebben gegeven — een niet zo subtiele suggestie dat, als alle andere factoren gelijk zijn, het Duitse project als de echte leider moet worden beschouwd.
Deze vriendschappelijke rivaliteit benadrukt een al lang bestaande competitie tussen apparaten die stellarators worden genoemd, zoals de Wendelstein 7-X, en andere die tokamaks heten, zoals JET. Beide gebruiken verschillende benaderingen om een veelbelovende vorm van kernfusie te bereiken, namelijk magnetische opsluiting, die erop gericht is een fusiereactie op gang te brengen in een plasma van de neutronrijke waterstofisotopen deuterium en tritium.
Heilige graal
De nieuwste resultaten volgen op het succesvolle ontsteken van kernfusie in 2022 bij de National Ignition Facility (NIF) nabij San Francisco, waar een heel andere methode van fusie werd gebruikt, namelijk inertiële opsluiting. Onderzoekers daar richtten enorme lasers op een pellet van deuterium en tritium ter grootte van een erwt, waarmee ze een fusiereactie op gang brachten die meer energie opleverde dan ze verbruikte. (Herhalingen van het experiment hebben sindsdien nog meer energie opgeleverd.)
Het Amerikaanse ministerie van Energie begon eind jaren 1990 met de bouw van de NIF, met als doel om inertiële opsluiting te ontwikkelen als alternatief voor het testen van thermonucleaire bommen. Onderzoek ten behoeve van het Amerikaanse kernwapenarsenaal vormt nog steeds het grootste deel van het werk van de faciliteit. Maar de ontsteking was een belangrijke mijlpaal op de weg naar gecontroleerde kernfusie — wat als een soort ‘heilige graal’ van de wetenschap en techniek wordt beschouwd.
‘De prestatie in 2022, waarbij fusieontsteking werd bereikt, markeert de eerste keer dat mensen in staat zijn geweest om in het laboratorium een gecontroleerde, zelfonderhoudende, brandende fusiereactie te creëren — vergelijkbaar met het aansteken van een lucifer die vervolgens uitgroeit tot een vreugdevuur’, zegt plasmafysicus Tammy Ma van het Lawrence Livermore National Laboratory dat de NIF beheert. ‘Bij alle eerdere fusiepogingen doofde het lucifervlammetje al snel weer uit.’
De methode van inertiële opsluiting die door de NIF wordt gebruikt — het grootste en krachtigste lasersysteem ter wereld — is mogelijk niet het meest geschikt voor het opwekken van elektriciteit (al lijkt het ongeëvenaard in het simuleren van thermonucleaire bommen). De ontsteking in de brandstofpellet leverde weliswaar meer energie op dan er door de 192 gigantische lasers van de NIF direct in werd gestopt, maar het opladen van die lasers duurde meer dan 12 uur en vergde ongeveer 100 keer zoveel energie als wat de fuserende pellet uiteindelijk opleverde.
Berekeningen suggereren daarentegen dat een fusiecentrale elke seconde ongeveer 10 brandstofpellets zou moeten ontsteken, continu, 24 uur per dag, om elektriciteit op nuts-schaal te leveren. Dat is een enorme technische uitdaging, maar wel een die door meerdere startups op het gebied van inertiële fusie-energie wordt aangegaan, zoals Marvel Fusion in Duitsland. Andere startups, zoals Xcimer Energy in de VS, stellen voor om een vergelijkbaar systeem te gebruiken dat elke twee seconden één brandstofpellet ontsteekt.
Ma erkent dat de aanpak van de NIF met obstakels te maken heeft, maar wijst erop dat het nog steeds de enige fusietechniek op aarde is die een netto-energieopbrengst heeft laten zien. ‘Kernfusie-energie, en in het bijzonder de inertiële opsluitingsmethode, heeft een enorm potentieel, en het is van essentieel belang dat we deze blijven onderzoeken’, zegt ze.
Magnetische opsluiting
In plaats van brandstofpellets met lasers te ontsteken, kiezen de meeste kernfusieprojecten — zoals de Wendelstein 7-X en de JET-reactor — voor een andere weg naar kernfusie. Sommige van de meest geavanceerde projecten, zoals het gigantische ITER-project dat momenteel in Frankrijk wordt gebouwd, zijn tokamaks. Deze apparaten werden voor het eerst uitgevonden in de voormalige Sovjet-Unie en ontlenen hun naam aan een Russisch acroniem voor de donutvormige ringen van plasma die ze bevatten. Ze werken door een krachtige elektrische stroom op te wekken binnenin de superhete plasma-donut, waardoor deze sterker magnetisch wordt en er wordt voorkomen dat het plasma de wanden van de reactor raakt en beschadigt — de belangrijkste technische uitdaging van deze technologie.
De Wendelstein 7-X-reactor is echter een stellarator. Het gebruikt een verwant, maar complexer ontwerp dat geen elektrische stroom opwekt in het plasma. In plaats daarvan probeert het het plasma te beheersen met krachtige, externe magneten. Het resultaat is dat de plasma’s in stellarators stabieler zijn binnen hun magnetische containers. Reactoren zoals de Wendelstein 7-X zijn ontworpen om langer te kunnen draaien dan tokamaks, zonder de reactorkamer te beschadigen.
De onderzoekers van Wendelstein zijn van plan binnenkort de grens van één minuut te overschrijden en uiteindelijk de reactor langer dan een half uur continu te laten draaien. ‘Er staat eigenlijk niets in de weg om de reactor nog langer draaiende te houden’, legt natuurkundige Thomas Klinger uit, die het project leidt aan het Max Planck Instituut voor Plasmafysica. ‘En dan begeven we ons op terrein waar nog nooit iemand eerder is geweest.’
De over het hoofd geziene resultaten van de JET-reactor versterken het vertrouwen in de methode van magnetische opsluiting, hoewel het nog steeds niet zeker is of tokamaks of stellarators uiteindelijk als winnaar uit de bus zullen komen in de race naar gecontroleerde kernfusie. Plasmafysicus Robert Wolf, die verantwoordelijk is voor de optimalisatie van de Wendelstein-reactor, denkt dat toekomstige fusiereactoren mogelijk de stabiliteit van stellarators zullen combineren met de relatieve eenvoud van tokamaks. Maar hoe dat precies zou moeten gebeuren, is nog onduidelijk. ‘Vanuit wetenschappelijk oogpunt is het daarvoor nog wat vroeg’, zegt hij.
Privékapitaal
Verschillende private bedrijven hebben zich aangesloten bij de race naar kernfusie. Een van de meest geavanceerde projecten komt van het Canadese bedrijf General Fusion, gevestigd nabij Vancouver in British Columbia. Het bedrijf hoopt dat zijn onorthodoxe kernfusiereactor, die een hybride technologie gebruikt genaamd magnetized target fusion (MTF), als eerste elektriciteit aan het net zal leveren — naar verwachting ‘begin tot midden jaren 2030’, aldus Megan Wilson, chief strategy officer van het bedrijf. ‘MTF is het fusie-equivalent van een dieselmotor: praktisch, duurzaam en kosteneffectief’, zegt ze.
George Tynan, nucleair ingenieur aan de Universiteit van Californië, San Diego, zegt dat er momenteel veel privékapitaal naar het vakgebied stroomt. ‘De private sector steekt nu veel meer geld in kernfusie dan overheden, en dat zou de situatie kunnen veranderen’, zegt hij. ‘Bij dit soort ‘harde technologie’-problemen zoals ruimtevaart en dergelijke, lijkt de private sector meer bereid om risico’s te nemen.’
Tynan noemt ook Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van het Massachusetts Institute of Technology, die van plan is een kernfusiecentrale te bouwen genaamd ARC in Virginia. Volgens een artikel van MIT News is de voorgestelde ARC-reactor een type compacte tokamak die begin jaren 2030 tot 400 megawatt elektriciteit wil gaan produceren. Dat is genoeg om ongeveer 150.000 huishoudens van stroom te voorzien.
Roulstone denkt dat de supergeleidende elektromagneten, die steeds vaker worden gebruikt in reactoren met magnetische opsluiting, een sleuteltechnologie zullen blijken te zijn. Dergelijke magneten worden gekoeld met vloeibaar helium tot enkele graden boven het absolute nulpunt, zodat ze geen elektrische weerstand meer hebben. De magnetische velden die ze in die toestand genereren zijn vele malen krachtiger dan die van gewone elektromagneten, waardoor onderzoekers meer controle krijgen over het superverhitte waterstofplasma. Daartegenover vreest Roulstone dat de laserbenadering van de NIF te complex is. ‘Ik ben sceptisch over de vraag of inertiële opsluiting zal werken’, zegt hij.
Ook Tynan is voorzichtig over kernfusie via inertiële opsluiting, al erkent hij dat de fusie-ontsteking van de NIF een wetenschappelijke doorbraak was. ‘Het toont aan dat je een netto energieopbrengst uit een fusiereactie kunt halen.’
Hij ziet ‘levensvatbare fysica’ in zowel de magnetische als de laserbenadering van kernfusie, maar waarschuwt dat beide nog vele jaren van experimenten en testen nodig hebben voordat ze daadwerkelijk elektriciteit kunnen opwekken. ‘Beide benaderingen kennen nog aanzienlijke technische uitdagingen’, zegt Tynan. ‘Ik denk dat het plausibel is dat beide kunnen werken, maar ze hebben allebei nog een lange weg te gaan.’
