-
1. Fusie-energie: schoon, veilig en onuitputtelijk. Hoe zit dat?
-
Fusie-energie wordt opgewekt door middel van kernfusie: twee lichte atoomkernen versmelten en in dat proces komt zeer veel energie vrij. Het is de energiebron van de zon en de sterren. Heel interessant, maar hebben we daar wat aan voor duurzame energieopwekking? Ja, potentieel heel veel.
Fusie-energie heeft hele mooie eigenschappen: veilig, schoon, voor altijd en voor iedereen. Een fusiecentrale gebruikt maar een paar honderd kilo brandstof per jaar, die brandstof bestaat uit water en lithium (waar heel veel van is), en er is niets aan de reactor dat kan ontploffen of uit de hand lopen. Om die redenen wordt fusie vaak gezien als de ultieme duurzame energiebron. Alle grote landen hebben een ontwikkelingsprogramma lopen en wat heel mooi is: ze werken allemaal samen. Maar….
De fusiereactie. De lichte kernen deuterium en tritium stoten elkaar af. Door de enorme hoge temperatuur komen ze toch zo dicht bij elkaar dat ze fuseren. In het fusie-proces wordt helium gevormd, een neutron, en heel veel energie. (bron: FOM-Rijnhuizen)
-
2. Waarom wordt kernfusie nog niet toegepast?
-
Enig probleem: kernfusie is heel moeilijk, voornamelijk omdat de temperatuur van de brandstof in de reactor zo'n 200 miljoen graden moet bedragen. Om de brandstof op die temperatuur te kunnen brengen wordt het in een magneetveld 'opgesloten'. De brandstof – in wezen een gas van waterstof-isotopen – is dan volledig geïoniseerd: het bestaat uit geladen deeltjes. Dat zogenaamde plasma kun je met magneetvelden opsluiten in een torusvorm (ringvorm). Het magneetveld houdt het plasma op zijn plaats en zorgt er bovendien voor dat het zijn warmte goed vasthoudt. Ongelooflijk maar waar: het plasma, dat elektriciteit beter geleid dan koper, is een fantastische warmte-isolator: beter dan piepschuim.
Het principe van een tokamak. Het plasma (oranje) zit binnen een mantel in de vorm van een torus. D-vormige magneten zorgen ervoor dat het plasma niet tegen de wand komt. Water wordt door de mantel geleid en tot stoom verhit (blauw-rode buis). Met de stoom wordt elektriciteit opgewekt. De brandstoffen, deuterium en tritium worden toegevoegd, en het restproduct, helium, wordt afgevoerd. (bron: FOM-Rijnhuizen)
-
3. Wat is de stand van de ontwikkeling?
-
In huidige experimentele fusiereactoren worden de temperaturen van honderden miljoenen graden routinematig bereikt. De volgende stap is opschaling. Omdat het door de fusiereacties opgewekte vermogen simpelweg evenredig is met het volume van de reactor, terwijl het warmteverlies slechts met de straal van de reactor toeneemt, wordt de opbrengst beter naarmate de reactor groter wordt. In de grootste huidige testreactoren – zoals de Joint European Torus (JET) in Engeland – kan bijna evenveel vermogen worden opgewekt als nodig is om de reactor te laten draaien.
Nu wordt begonnen met de bouw van de ITER reactor, ruim twee keer zo groot als JET. ITER moet 500 MW fusievermogen opwekken: 10-voudige vermogensvermenigvuldiging, gedurende periodes van 10-15 minuten. ITER is een samenwerkingsproject van Europa (leidende partner) met Japan, Rusland, de VS, China, India en Zuid-Korea, en komt in Cadarache, in Zuid-Frankrijk.
Links: binnen in de JET torus, rechts: JET torus met plasma
(bron: EFDA-JET)
-
4. Welke stappen scheiden ons nog van commerciële fusie-energie?
-
In huidige reactoren wordt het waterstofmengsel met magneetvelden stabiel opgesloten bij een temperatuur van 200 miljoen graden. Deze hobbel – enkele decennia lang de grote uitdaging van het kernfusieonderzoek – is genomen. Nu zijn aan de beurt: de wandmaterialen. Daarna: de complexiteit.
De wanden hebben te lijden van de enorme energieproductie in de reactor. Die energieproductie is juist waar het om gaat, maar leidt wel tot een zeer hoge warmtebelasting van de wand. Vooral omdat – ten gevolge van het magneetveld – de warmtestroom wordt geconcentreerd op een klein deel van het reactorvat, dat intensief gekoeld moet worden. Bovendien wekt de fusiereactie neutronen op. Daarom moet de binnenkant van het reactorvat worden gemaakt van speciaal materiaal dat tegen de neutronen bestand is. Die materialen zijn in ontwikkeling.
Ten slotte: ITER is waarschijnlijk het meest complexe apparaat dat ooit gebouwd is. Maar de commerciële reactor moet zo simpel mogelijk zijn. Vereenvoudiging van het concept is misschien wel de grootste uitdaging van de ontwikkeling van fusie-energie.
-
5. Wanneer kan commerciële fusie-energie bijdragen aan de energieproductie?
-
ITER moet de wetenschappelijke basis en de technische haalbaarheid van kernfusie bewijzen. ITER komt over 10 jaar in bedrijf en zal een aantal jaren nodig hebben om zijn volle vermogen te bereiken. De volgende stap is een demonstratiereactor, die daadwerkelijk elektriciteit aan het net levert. Deze DEMO zal al tijdens de bouw van ITER worden ontworpen. Verwacht wordt dat verschillende landen die nu in ITER samenwerken een eigen DEMO gaan bouwen. Het groene licht voor de bouw van DEMO kan wanneer ITER in bedrijf is worden gegeven, zodra voldoende duidelijk is dat de gekozen technologie voldoet. De eerste generatie commerciële fusiecentrales kan rond het midden van de eeuw draaien. Daarna bepaalt de vraag, de markt, hoe snel het gaat.
ITER
-
6. Wat is het verschil tussen kernfusie en kernsplijting?
-
In een splijtingsreactor worden zeer zware kernen gesplitst. In een fusiereactor worden zeer lichte kernen gefuseerd. Bij beide processen komt zeer veel energie vrij. Het is geen perpetuum mobile: het reactieproduct van de fusiereactie (helium) is nog altijd heel veel lichter dan de kernen die bij splijting ontstaan. De reactortechniek is volledig verschillend voor splijting en fusie. De fusiebrandstof is een uiterst ijl, heet gas, dat voortdurend ververst wordt zodat er steeds voor slechts enkele seconden brandstof in de reactor is, in een splijtingreactor zitten brandstofstaven die brandstof voor maanden bevatten en via een beheerste kettingreactie langzaam opbranden. De reactoren zijn totaal verschillend. Er zijn wel overeenkomsten in bijvoorbeeld de materialen die gebruikt worden en de industrie die bij de bouw van reactoren is betrokken.
-
7. Zijn er alternatieven voor ITER? Wat is 'traagheidsopsluiting' (inertial confinement fusion)?
-
ITER is een reactor die gebruikt maakt van 'magnetische opsluiting'. Dit is in principe een 'steady state' proces. Er is een alternatieve ontwikkeling waarin een klein bolletje brandstof (enkele millimeters groot) met behulp van korte puls van zeer intense laserstraling wordt gecomprimeerd. Zo wordt ook de hoge temperatuur bereikt. Deze methode wordt 'traagheidsopsluiting' genoemd. De dichtheid is hoog (veel hoger dan in ITER) maar het bolletje blijft maar enkele nanoseconden bijeen. In die tijd moeten de fusiereacties plaatsvinden. Dit is een soort miniatuur waterstofbom. Dit onderzoek – het grootste experiment is de National Ignition Facility in de VS – heeft primair een militair doel en wordt gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Defensie. Hoewel in zo'n mini-explosie wel fusie-energie kan worden opgewekt, is het de vraag of deze ontwikkeling ooit tot netto energiewinst kan leiden.
-
8. Bestaat 'koude kernfusie'?
-
Koude kernfusie, kernfusie in een jampot, bubble-fusion (die overigens niet koud is) … al deze ideeën die ruime aandacht in de pers hebben gehad hebben één ding gemeen: ze werken niet. Er is een proces dat wel echt bij lage temperatuur tot fusiereacties leidt: 'muon catalysed fusion'. Hierbij wordt een muon (een zwaar elektron) gebruikt om de fusiereactie te catalyseren. Dit werkt, maar helaas kost het zoveel energie om een muon te maken dat ook dit elegante trucje geen netto energie oplevert. Andere goede ideeën om op een makkelijke manier fusie-energie op te wekken blijven welkom.
-
9. Waarom is kernfusie veilig?
-
In de fusiereactor is de temperatuur wel heel hoog, maar de druk niet. Die is vergelijkbaar met de luchtdruk: een atmosfeer. En omdat 'druk' een ander woord is voor 'energiedichtheid' zit er dus in de fusiereactor niet meer energie dan in een kamer. Er kan dus niets ontploffen. De temperatuur is hoog, maar het gas is zeer ijl, een miljoen keer dunner dan lucht.
De fusiereactor werkt als een gasbrander: er is steeds maar voor enkele seconden brandstof in de reactor. De reactor is ontworpen om de fusiereactie zo snel mogelijk te laten verlopen. Het enige dat er mis kan gaan is dat de reactie niet hard genoeg gaat. Dan gaat de reactor uit.
Buitenkant JET (bron: EDFA-JET)
-
10. Hoe zit het met radioactief afval?
-
Fusie-energie maakt geen langlevend radioactief afval.
De brandstof die naar de reactor wordt gebracht (het waterstof isotoop Deuterium en het metaal Lithium) en het reactieproduct (Helium) zijn niet radioactief. Bovendien is het fusieproces zo efficiënt dat een centrale maar een paar honderd kilo brandstof per jaar gebruikt.
Radioactiviteit komt op twee manieren voor in het fusieproces. Ten eerste wordt in een tussenstap van de reactie het waterstofisotoop tritium gevormd. Tritium is een zwakke bètastraler: het zendt elektronen uit die nog niet door een vel papier komen. Maar omdat tritium kan worden ingebouwd in een watermolecuul kan het in het lichaam komen (ingeademd of gedronken) en dan is het zeer toxisch. Daarom moet tritium met veel zorg worden behandeld.
Ten tweede: bij de fusiereactie komen neutronen vrij en die maken gedurende het bedrijf van de reactor de wand van het reactievat actief. Na een aantal jaren bedrijf moet die binnenwand worden vervangen. Het geactiveerde materiaal is na ca. 100 jaar weer bruikbaar.