Het enorme potentieel van kernfusie maakt die moeilijk om te negeren. Het is een technologie die veilig een immense en gestage stroom van elektriciteit zou kunnen leveren, gebruikmakend van overvloedige brandstof gemaakt van zeewater om dezelfde reactie te ontsteken die de zon aandrijft. Dat zou geen broeikasgassen produceren en minimaal afval produceren in vergelijking met conventionele energiebronnen.

Maar het bouwen van een fusiereactor is in wezen het creëren van een kunstmatige ster. En wetenschappers bestuderen ondertussen al een eeuw de fysica van fusie. Met enkele van de krachtigste machines ooit gebouwd, proberen ze delicate, subatomaire mechanica te verfijnen om een ​​cruciale mijlpaal te bereiken: meer energie uit een fusiereactie halen dan ze erin stoppen. Onderzoekers zeggen dat ze dichterbij zijn dan ooit. Maar waarom is het zo moeilijk?

Wat is kernfusie juist?

Laten we beginnen met wat kernfusie juist is. Kernsplijting kennen we en gebruiken we ondertussen al decennia in onze kerncentrales: het is wat er gebeurt als grote atomen zoals uranium en plutonium uit elkaar vallen en energie vrijgeven. De kracht ervan is enorm, kijk maar naar de atoomwapens die we hebben en die werken volgens datzelfde principe. Kernfusie is nog krachtiger. Het is wat er gebeurt als de kernen van kleine atomen aan elkaar plakken, samensmelten om een ​​nieuw element te creëren en energie vrijgeven. De meest voorkomende vorm is dat twee waterstofatomen samensmelten om helium te creëren.

De reden dat fusie zoveel energie opwekt, is dat het nieuwe element een heel klein beetje minder weegt dan de som der delen. Dat kleine beetje verloren materie wordt omgezet in energie volgens de beroemde formule van Albert Einstein, E = mc2. “E” staat voor energie en “m” staat voor massa. Het laatste deel van de formule is “c”, een constante die de lichtsnelheid meet – 300.000 kilometer per seconde, die vervolgens in het kwadraat wordt uitgedrukt. Er is dus een enorme vermenigvuldiger voor materie die wordt omgezet in energie, waardoor fusie een buitengewoon krachtige reactie wordt.

Waarom het zo moeilijk is

Deze basisprincipes zijn goed begrepen en onderzoekers zijn ervan overtuigd dat het mogelijk is om het op een nuttige manier te gebruiken, maar tot nu toe was kernfusie ongrijpbaar. We weten absoluut dat de fundamentele theorie werkt. Maar proberen om het in een laboratorium te doen, blijkt niet simpel.

Voor een demonstratie van kernfusie hoef je alleen overdag naar de zon te kijken. Zelfs op een afstand van 150 miljoen kilometer genereert onze dichtstbijzijnde ster genoeg energie om de aarde op te warmen door het vacuüm van de ruimte. Maar de zon heeft een voordeel dat we hier op aarde niet hebben: hij is heel, heel groot. Een van de problemen met fusie is dat atoomkernen – de positief geladen kernen van atomen – elkaar normaal gesproken afstoten. Om die afstoting en vonkfusie te overwinnen, moet je de atomen heel snel laten bewegen in een beperkte ruimte, waardoor de kans op botsingen groter wordt.

Een ster als de zon, die ongeveer 333.000 keer de massa van de aarde heeft, genereert zwaartekracht die atomen naar het centrum versnelt – waardoor ze opwarmen, “opgesloten” worden en fusie aansteken. De fusiereacties leveren dan de energie om andere atoomkernen te versnellen en nog meer fusiereacties op gang te brengen.

Het imiteren van de zon op aarde is een hele opgave. Mensen zijn in staat geweest om fusie op gang te brengen, maar op manieren die ongecontroleerd zijn, zoals in thermonucleaire wapens (soms waterstofbommen genoemd). Fusie is ook aangetoond in laboratoria, maar onder omstandigheden die veel meer energie verbruiken dan de reactie oplevert. De reactie vereist over het algemeen het creëren van een hoogenergetische toestand van materie die bekend staat als plasma, maar plasma heeft eigenaardigheden die wetenschappers nog steeds proberen te begrijpen.

Twee pistes: magneten en lasers

Om fusie nuttig te maken, moeten wetenschappers het op een gecontroleerde manier op gang brengen die veel meer energie oplevert dan ze erin stoppen. Die energie kan vervolgens worden gebruikt om water te koken, een turbine te laten draaien of elektriciteit op te wekken. Teams over de hele wereld bestuderen verschillende manieren om dit te bereiken, maar de benaderingen vallen meestal in twee brede categorieën.

De eerste omvat het gebruik van magneten om het plasma in toom te houden. Dit is de aanpak die wordt gebruikt door ITER, ’s werelds grootste fusieproject, dat momenteel in aanbouw is in Zuid-Frankrijk. De andere benadering komt neer op het opsluiten van de fusiebrandstof en het comprimeren ervan in een kleine ruimte met behulp van lasers. Dit is de benadering die bijvoorbeeld wordt gebruikt door de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië.

Het repliceren van een ster vereist onderzoek op enorme schaal, dus bij fusie-experimenten worden vaak de krachtigste wetenschappelijke instrumenten gebruikt die ooit zijn gebouwd. De centrale solenoïde van ITER kan bijvoorbeeld een magnetische kracht genereren die sterk genoeg is om een ​​vliegdekschip twee meter uit het water te hijsen.

Waarom het veilig is

Hardware bouwen die bestand is tegen deze extreme omstandigheden stelt enorme wetenschappelijke en technische uitdagingen. Het beheren van dergelijke grootschalige experimenten is ook geen sinecure. ITER begon met een initiële kostenraming van 6,6 miljard euro, die sindsdien meer dan verdrievoudigd is. Het begon met de bouw in 2007 en de eerste experimenten zullen in 2025 beginnen.

Een voordeel van de complexiteit van fusiereacties is dat het bijna onmogelijk is om een ​​op hol geslagen reactie of kernsmelting te veroorzaken van het soort dat kerncentrales als Tsjernobyl heeft verwoest. Als een fusiereactor wordt ontregeld, dooft de reactie snel. Bovendien is het belangrijkste “afvalproduct” van waterstoffusie helium, een inert gas. Het proces kan ertoe leiden dat sommige reactormaterialen radioactief worden, maar de radioactiviteit is veel lager en de hoeveelheid gevaarlijk afval is veel kleiner in vergelijking met conventionele kerncentrales. Dus kernfusie-energie zou een van de veiligste bronnen van elektriciteit kunnen worden.

Twee problemen: politici en geld

Maar voor beleidsmakers is het moeilijk om te investeren in een duur onderzoeksproject dat misschien decennialang geen vruchten afwerpt. Wetenschappelijke vooruitgang houdt niet altijd gelijke tred met politieke tijdlijnen: een politicus die groen licht geeft aan een fusieproject zal misschien niet eens lang genoeg leven om te zien dat het een levensvatbare energiebron wordt – en het is dus zeker geen politieke valuta die bruikbaar is bij de volgende de verkiezing.

De EU trekt momenteel ongeveer 680 miljoen euro per jaar uit voor kernfusie, wat een pak geld lijkt, maar in het niets valt bij de meer dan 50 miljard euro subsidies voor energie uit fossiele brandstoffen. De Amerikanen spenderen iets van een 400 miljoen euro jaarlijks aan kernfusie. Dat land geeft meer dan 600 miljard per jaar uit aan defensie.

Het goede nieuws is dat investeerders steeds meer op de kar springen en momenteel miljarden steken in particuliere startups die hun eigen fusiestrategieën ontwikkelen. Eén van hun motieven is dit: de zoektocht naar kernfusie heeft al een pak voordelen opgeleverd voor andere gebieden, met name in de plasmafysica, die op grote schaal wordt gebruikt bij de productie van halfgeleiders voor elektronica.

Meer dan alleen natuurkunde

En ondanks de hindernissen zijn er recent enkele echte vorderingen gemaakt. Het team van China’s kernfusie-installatie – de Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) – heeft verklaard dat het op 30 december 2021 in staat was plasma van 70 miljoen graden Celsius te genereren en dat gedurende 1.056 seconden vast te houden. Dat is een tijdrecord voor kernfusie. Onderzoekers van het Amerikaanse NIF meldden afgelopen zomer dat ze hun beste resultaten tot nu toe behaalden – 1,3 megajoule output van 1,9 megajoule input – waardoor ze dichter dan ooit bij energiepositieve fusie kwamen.

Zoals gezegd is het probleem van kernfusie dat de perceptie ervan nog steeds dat van een interessant wetenschappelijk experiment is. Wetenschappers en ingenieurs denken echter dat kernfusie niet alleen mogelijk, maar ook onvermijdelijk is. Net zoals verkenning van de ruimte meer is dan astronomie, is kernfusie veel meer dan natuurkunde. Het zou een leidend instrument kunnen zijn in de strijd tegen de meest urgente problemen ter wereld, van klimaatverandering tot het uit de armoede halen van mensen.

Het vergroten van de toegang tot energie hangt nauw samen met het verbeteren van de gezondheid, economische groei en sociale stabiliteit. Toch hebben bijna een miljard mensen op onze planeet nog steeds geen elektriciteit en veel meer hebben slechts af en toe stroom, dus er is een dringende humanitaire behoefte aan meer energie.

Niet voor meteen, maar als het lukt …

Tegelijkertijd is het raam voor het beperken van klimaatverandering aan het sluiten en blijven elektriciteits- en warmteproductie de dominante bronnen van broeikasgassen in de atmosfeer. Om een ​​van de doelstellingen van het klimaatakkoord van Parijs te halen – de opwarming deze eeuw tot minder dan 1,5 graad Celsius beperken – moet de wereld de uitstoot van broeikasgassen tegen 2030 met de helft of meer terugdringen volgens het Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering. Veel van ’s werelds grootste uitstoters van broeikasgassen streven er ook naar om hun bijdrage aan de klimaatverandering tegen het midden van de eeuw op nul te zetten. Om zo’n drastische reductie van de uitstoot te realiseren, moeten fossiele brandstoffen zo snel mogelijk worden uitgefaseerd en veel schonere energiebronnen worden ingezet.

De technologieën die we daarvoor vandaag hebben, zijn niet opgewassen tegen de taak om de spanning op te lossen tussen de behoefte aan meer energie en de noodzaak om de uitstoot van kooldioxide te verminderen. Een probleem als klimaatverandering is een argument om in te zetten op allerlei vergaande energieoplossingen, maar kernfusie is misschien wel de technologie met het grootste winstpotentieel. En op langere tijdschalen zou het een echte oplossing kunnen zijn. De basis moet nu worden gelegd door middel van onderzoek, ontwikkeling en implementatie. Kernfusie zou dan wel eens heel goed de grootste verwezenlijking van de mensheid kunnen worden.

Voorlopig gaan de grote fusie-experimenten bij NIF en ITER steeds verder. Bij NIF zullen wetenschappers hun proces blijven verfijnen en gestaag opwerken naar energiepositieve fusie. Het is de bedoeling dat ITER in 2025 operationeel wordt en in 2035 met waterstoffusie-experimenten begint. Het zal dus allemaal nog even duren. Maar als het lukt …

(ns, lb)