Kernfusie als energiebron

De weg naar gratis energie blijft lang

Reactoren: tokamaks

Een ster zoals de zon maak je niet zomaar na op aarde. Daar zijn ingewikkelde apparaten voor nodig die onder meer extreem hoge temperaturen kunnen weerstaan. Er zijn enkele 'beproefde' ontwerpen die gebruikt worden voor studies naar kernfusie. Er zijn twee hoofdontwerpen van fusiereactors: enerzijds magnetische opsluiting en anderzijds traagheidsopsluiting. Die laatste methode lijkt overigens niet de meest logische weg voor een fusiereactor die energie moet opwekken als alternatief voor traditionele energiecentrales.

Magneetvelden in een tokamak (beeld: EUROfusion)

Tokamak

De tokamak is waarschijnlijk het bekendste voorbeeld van een fusiereactor. Het is in essentie een donutvormige kamer - eigenlijk moeten we formeel 'toroïde' zeggen - waarin met behulp van sterke magneten een plasma wordt opgesloten. Omdat een plasma voor een fusiereactie extreem heet moet zijn, in de orde van miljoenen graden, mag het plasma de wanden van de reactor niet raken. Niet alleen zou de reactorwand dan smelten, maar bovendien zou het plasma zijn warmte kwijtraken, wat fusie onmogelijk maakt. Gelukkig is een plasma extreem gevoelig voor magneetvelden, waardoor het zich laat 'vangen' door het externe magneetveld. Datzelfde magneetveld wordt ook gebruikt om het plasma samen te knijpen, zodat het nog heter wordt en de protonen dicht genoeg op elkaar worden gedrukt om fusie op te laten treden.

Q-factor en ontbranding

Twee belangrijke factoren voor het succes van een fusiereactor zijn de Q-factor, of simpelweg Q, en ontbranding. Dat laatste houdt in dat een plasma dat voldoende verhit is, niet meer extra verwarmd hoeft te worden als de fusie op gang komt. De vrijgekomen energie van fusiereacties is dan voldoende om het plasma heet genoeg te houden om fusie mogelijk te maken. In de praktijk moet die temperatuur op ongeveer 100 miljoen kelvin liggen.

De Q-factor, of Q, geeft de verhouding weer tussen de energie die de reactor ingaat en de energie die wordt opgewekt. Bij een Q groter dan 1 wordt meer energie opgewekt dan nodig is om de reactor op gang te brengen. Het streven is dan ook om een zo hoog mogelijke Q te realiseren, zodat een reactor veel meer energie opwekt dan erin wordt gestopt. De hoogste Q tot dusver bedraagt 0,7. Eigenlijk zijn dergelijke cijfers geflatteerd, omdat voor Q-berekeningen meestal enkel de energie voor het daadwerkelijk opwarmen van het plasma wordt gebruikt. Q zou lager uitvallen als ook alle energie voor de rest van een reactorcomplex wordt meegerekend.

De bekendste tokamak is de eerder aangehaalde reactor van ITER, de International Thermonuclear Experimental Reactor. Zijn voorgangers, die nog operationeel zijn, zijn eveneens onderzoeksreactors, zoals de JET en de Amerikaanse TFTR. De ITER moet echter Europa's paradepaardje worden. De reactor is nog in aanbouw en zal rond 2025 voor het eerst moeten worden geactiveerd. Pas tien jaar later, tegen 2035, staat fusie met behulp van deuterium en tritium op de planning. Alles over ITER lees je in een achtergrondverhaal dat we 2019 publiceerden.

Vooralsnog heeft niet ITER, maar een andere Europese reactor het record van energie-output in handen. De JET leverde in 1997 gedurende iets meer dan een seconde 16 megawatt fusie-energie, voor een totale output van 22MJ. Om het plasma op te warmen, was meer energie nodig dan de reactor leverde. Een netto positief resultaat is er dus nog niet. De onderzoekers die aan JET, of de Joint European Torus, werken, slaagden er in december 2021 in om hun eigen record te verbreken, met een energie-output van 59MJ. De fusiereactie hield veel langer stand, zo'n vijf seconden, maar ook dit keer was er netto geen positieve energie opgewekt.

Onderdelen van JET zijn opnieuw gebouwd volgens ontwerpen die voor ITER werden ontwikkeld, en inmiddels is JET weer operationeel. Onlangs werd de honderdduizendste plasmapuls opgewekt, waarvan de resultaten binnenkort worden gedeeld. De toekomst van JET, dat door een Europees consortium werd ontwikkeld, maar in het Engelse Oxfordshire staat, was onder meer wegens de Brexit lange tijd onzeker. Inmiddels zijn afspraken gemaakt om de tokamak in ieder geval tot 2024 operationeel te houden. Een opvolger is overigens ook gepland. Dat zou daadwerkelijk een experimentele energiecentrale moeten worden. De STEP zou in 2040 operationeel moeten zijn en wordt dan een prototype voor een commerciële fusiereactor.

Doorsnede van de ITER, 's werelds bekendste tokamak in aanbouw (beeld: ITER)

De TFTR was, hoewel eveneens puur een onderzoeksproject, wel ontworpen om energie-positief te zijn, maar Princeton-onderzoekers slaagden niet in die opzet. De reactor is inmiddels opgevolgd door het National Spherical Torus Experiment, of NSTX, eveneens gevestigd in het Princeton Plasma Physics Laboratory aan de gelijknamige universiteit. Na een upgrade van 2012 tot 2015 kwam de reactor in 2016 stil te liggen, maar hij moet in 2022 weer operationeel worden.

Er zijn nog flink wat andere (sferische) tokamaks actief. Zo heeft Groot-Brittannië twee private reactoren, de ST25 en ST40. De ST25 genereerde in 2012 zijn eerste plasma, gedurende drieduizendste seconde. De ST40 heeft inmiddels plasma gegenereerd van 15 miljoen graden Celsius en is op weg naar zijn doel van 100 miljoen graden. De tokamaks worden ontwikkeld door Tokaman Energy, specifiek met het doel om commerciële fusie mogelijk te maken. Een derde (of eigenlijk vierde) reactor in het VK is de MAST Upgrade, een onderzoeksreactor die sinds 2020 operationeel is. Zijn voorganger, de MAST, werkte van 1999 tot 2013. Aan een opvolger wordt al gewerkt; STEP moet energie gaan leveren in 2040.

In Italië is een oude tokamak, Start, gerecycled tot de Proto-Sphera en de Verenigde Staten hebben naast de NSTX ook Pegasus. Verder staat een tokamak in Brazilië: de ETE ofwel Experimento Tokamak Esférico, en Rusland heeft de Globus-M. In Japan zijn de TST-2 en Quest actief en China heeft de Sunist en werkt aan een opvolger daarvan, de Cfetr.

• Volgende pagina 4. Reactoren: stellerators