Wordt kernfusie dan toch nog meer dan een belofte?

’s Werelds grootste kernfusie project staat op het punt om temperaturen van miljoenen graden te creëren en eindelijk de kracht van de zon naar de aarde te brengen. De naam van dit project van € 18 miljard is Iter (‘de weg’ in het Latijn). Onder de heldere blauwe luchten van de Provence in Frankrijk gaat de doorbraak tot stand komen: meer energie uit fusiereacties halen dan erin stoppen.

De kritieke succesfactoren van kernfusie zijn eenvoudig: het is schoon, veilig, en biedt onuitputtelijke energie voor een wereld die binnenkort 10 miljard energieverslindende burgers bevat. Maar ondanks 60 jaar onderzoek en miljarden dollars zijn de resultaten tot nu toe eenvoudig: het is nog niet gelukt.

Leiders die de helft van de wereldbevolking vertegenwoordigen (de Iter-partners zijn de EU, China, Rusland, de VS, India, Japan en Zuid-Korea) investeren nu € 18 miljard, zodat kernfusie gerealiseerd kan worden. Het management van Iter is ingrijpend gewijzigd, zodat de fouten uit het verleden kunnen worden voorkomen.

Heel veel energie

Het doel van kernfusie is een plasma in een grote magnetische ring te stoppen en zo zware waterstofisotopen te dwingen om samen te smelten en gigantische hoeveelheden energie vrij te maken: vier keer zoveel als de energie die vrijkomt bij het splitsen van uraniumatomen in conventionele kernreactoren.

“We zijn ervan overtuigd dat we met Iter honderden megawatt energie kunnen leveren,” zegt David Campbell, directeur Wetenschap en Operations van Iter. “Tot 10 keer meer energie dan de hoeveelheid die erin gaat.”

Om dit te bereiken, zal Iter een magnetische kooi in de vorm van een donut, de zogenaamde tokamak, plaatsen. De tokamak beheerst het plasma. In de hele wereld staan meer dan 200 kleine tokamaks en Campbell claimt dat de tientallen jaren onderzoek garantie bieden op succes.

Groter = beter

De schaal waarop Iter werkt is ongekend. Het wereldrecord voor fusie-energie is 16MW en werd behaald door de JET-reactor in Groot Brittannië in 1997. De langste fusierun is 6 minuten en 30 seconden en werd bereikt in de Tore Supra in Frankrijk in 2003. Iter streeft naar 500 MW en runs van 50 minuten.

Het bouwterrein van de fusiereactor is van het formaat van een kathedraal: 60 voetbalvelden groot en het reactorgebouw gaat 320.000 ton wegen en rust op rubber lagers als beveiliging tegen – weliswaar onwaarschijnlijke maar niet onmogelijke – aardbevingen. De reactor zelf weegt 23.000 ton en wordt daarmee drie keer zwaarder dan de Eiffeltoren. Dit is het meest complexe technische project in de geschiedenis van de mensheid.

Meer dan 2.800 supergeleidende magneten, sommige zwaarder dan een jumbojet, worden aangesloten op 200 km supergeleidende kabels. Deze worden op een temperatuur gehouden van -269C door ’s werelds grootste cryogene fabriek, die 12.000 liter vloeibaar helium per uur rondpompt.

Zeven partners leveren miljoenen precisie-componenten en duizenden medewerkers helpen eraan mee. Dit alles met als doel om 2 gram plasma warm en stabiel genoeg te houden in een tokamak met een diameter van 30 meter om een fusie te laten plaatsvinden.

Nog een jaar of 8 wachten

Het doel van Iter is het eerste plasma klaar te hebben in 2025. Daarna worden 5mm kleine, ingevroren pellets van zwaar waterstof – deuterium en tritium – in het plasma gespoten en wordt energie opgewekt. Deuterium kan gemakkelijk gewonnen worden uit zeewater en smelt samen met tritium, dat wordt gewonnen uit splijtingsreactoren. In de toekomst kan Iter zelf tritium opwekken. Het doel is om het maximale vermogen te bereiken in 2035. Als dat lukt, is Iter de eerste van een hele reeks fusiecentrales.

Bernard Bigot, de directeur-generaal van Iter, is ervan overtuigd dat er voldoende energie geproduceerd kan worden, “maar wat niet is gegarandeerd, is dat deze technologie eenvoudig en efficiënt genoeg kan zijn om te vermarkten”, zegt hij. En dat is nou precies de reden dat Iter er is. Bigot: “De wereld moet weten of deze technologie beschikbaar is of niet. Kernfusie kan de energieleverancier van de wereld worden. Voor een zeer lange tijd, misschien wel voor altijd. ”

Nog wat langer wachten

Zelfs als het goed gaat, dan zou het alsnog een wonder zijn om echte fusiecentrales te bouwen voor 2050. Dat levert een lastige vraag op: wat als fusie te laat komt? De klimaatverandering zorgt ervoor dat de wereld versneld moet overstappen op koolstofarme energie. Er moet drastisch minder uitstoot zijn in 2050. Als dat al is gerealiseerd, is er dan nog behoefte aan fusie-energie, die ongetwijfeld duur zal zijn in het begin?

“Het zal zeker niet goedkoop zijn in het begin “, zegt Campbell. “Maar het is een kwestie van tijd. Op de lange termijn zijn er niet veel opties: hernieuwbare energie, kernsplijting en kernfusie.”

Omdat fusie een nucleaire technologie is, zullen sommigen zich ertegen blijven verzetten. Fusiereacties produceren slechts onschadelijk helium, maar de hoge-energie neutronen bestralen de wanden van de reactor en produceren daarmee radioactief afval.

Nogmaals, de tijd zal het leren, aldus Campbell. Afval van kernsplitsing blijft 250.000 jaar radioactief, bijna onmogelijk om veilig op te slaan. Daar staat tegenover dat het afval van kernfusie in een paar decennia is vergaan. “Het afval 100 jaar bewaren is geloofwaardig,” zegt hij.

Veilig

Fusie is intrinsiek veilig, waardoor grote kernreactie-ongelukken zoals Fukushima en Tsjernobyl fysiek onmogelijk zijn. Eén reden is de kleine hoeveelheid brandstof die zich tegelijkertijd in een fusiereactor bevindt. Een andere reden is de aard en samenstelling van het plasma, een kokend gas van ionen en elektronen. “Als je de controle over het plasma verliest, dan blijft het niet zitten, maar het verdwijnt gewoon”, zegt Campbell terwijl hij zijn vingers klikt.

“Na Fukushima dachten we dat we weggespoeld zouden worden als oud badwater. Net als alle andere nucleaire projecten”, zegt Sabina Griffith, een communicatiemanager bij Iter. “Maar het tegenovergestelde gebeurde. Regeringen dachten: als kernsplitsing geen optie is, wat dan wel?”

Er zijn ontwerpen voor andere fusiereactoren die beter en ook kleiner in oppervlakte zijn. Een reactor van € 1 miljard in Duitsland die bondskanselier Angela Merkel eerder in 2016 opende, maakt gebruik van een stellarator, waarin de plasma ring de vorm heeft van een Mobius strip. Dit is in potentie een stabielere constructie en – nog crucialer – de stellarator kan continu werken, in plaats van in pulsen zoals een tokamak.

Er zijn ook tal van particuliere bedrijven die goede fusieonderzoekers in dienst hebben en die veel kleinere reactoren beloven. Onder andere Tokamak Energy in Groot Brittannië en Tri Alpha Energy in Canada.

“Er zijn technische routes die kleiner bouwen toestaan – in principe”, zegt Campbell. Maar hij zegt dat ze ofwel vertrouwen op onbewezen “exotische” ideeën of onderschatten hoe zwaar de machines moeten zijn om brandend plasma te kunnen bevatten. “Iter is de maat die door onze huidige technologie kan worden gebouwd,” zegt hij.

Toekomst ook politiek onzeker

Politiek blijft het een uitdaging voor Iter. De onzekerheid wordt gevoed door de verkiezing van Donald Trump als president van de VS, waar een aantal krachtige stemmen het project willen verlaten. Ook Brexit zorgt voor meer onzekerheid.

De politieke problemen gaan uiteindelijk toch om geld en het feit dat de regeringen van de Iter-partners minder geld van hun belastingbetalers willen besteden aan het project. “Iter ziet er voor de gewone man erg duur uit “, aldus Campbell. “Maar de kosten worden verdeeld over de helft van de wereldbevolking. In deze context vind ik het niet zo’n grote investering.” Volgens het IEA spendeerde de wereld alleen al in 2015 $ 325 miljard aan subsidies voor fossiele brandstoffen, en $ 150 miljard aan hernieuwbare energie.

Fusie-supporters zoals Campbell vinden ook dat kernfusie geopolitieke voordelen heeft, omdat de belangrijkste brandstof – zwaar waterstof – voor iedereen toegankelijk is. “Niemand heeft een monopolie op de brandstof, dus niemand hoeft erover te vechten.”

Dus hoe lang duurt het nog voor de wereld dit heeft bereikt? 30 jaar en talloze mislukkingen verder? Velen wijzen nog steeds op het antwoord van Lev Artsimovich, de vader van de tokamak en meer dan twee decennia (tot aan zijn dood in 1973) het hoofd van het Sovjet fusie-energie-programma: “Fusie-energie komt wanneer de mensheid het nodig heeft – misschien kort voor die tijd.”

Lees meer in The Guardian.

Lees ook deze update: Kernfusie is een zwart gat voor geld en energie