‘Een blije dag voor kernfusie’: fysici verdubbelen 25 jaar oud energierecord

Kernfusie belooft ons al decennia een schone, krachtige manier van energie opwekken. Waar ‘gewone’ kernreactoren zware atomen uit elkaar pulken, smelten in een fusiereactor lichtere atomen samen –  een proces dat, zo voorspelt men, uiteindelijk tientallen malen meer vermogen oplevert dan je erin stopt. En dat terwijl kernfusie, anders dan standaard kernenergie, vrijwel geen afval produceert en als ‘brandstof’ atomen gebruikt die je kunt winnen uit water.  Op papier bevat een kilogram atomen voor fusie zelfs tien miljoen keer zoveel energie als een kilogram kolen, olie of gas, zo zeggen voorstanders graag. Zonder uitstoot van broeikasgassen. 

Op weg naar die beloofde toekomst hebben natuurkundigen nu “een heel belangrijke stap” gezet, zoals fysicus Egbert Westerhof, van het bij de experimenten betrokken onderzoeksinstituut Differ in Eindhoven, het omschrijft. 

‘Blije dag’

Die stap zetten fysici in het binnenste van JET, een testreactor gevestigd in het Britse Culham, vlak bij Oxford. Gevangen in krachtige magneetvelden ontstond daar kortstondig een plasma, de gloeiend hete soep van geladen deeltjes waarin kernfusie plaatsvindt. Doordat daarin deuterium- en tritiumatomen samensmolten, twee zwaardere varianten van waterstof, produceerde het plasma gedurende vijf seconden in totaal 59 megajoule aan energie. Daarmee verdubbelden de onderzoekers ruimschoots hun vorige record. Dat record, van 22 megajoule, vestigde de reactor zo’n kwart eeuw geleden, in 1997. 

Níét verbroken werd overigens het heersende record voor de productiefste seconde, maar dat is minder belangrijk: toekomstige kernfusiereactoren moeten juist langdurig een betrouwbare, constante hoeveelheid energie opwekken. Een langere periode met in totaal hogere opbrengsten is juist beter dan een kortstondig hoge piek.

‘Goed nieuws’

“Een blije dag voor kernfusie”, zo duidt fysicus Thomas Klinger (Max Planck Instituut voor plasmafysica) de bekendmaking. Zelf werkt hij aan een – subtiel – ander ontwerp voor een toekomstige reactor, de Wendelstein 7-X in Duitsland, een stellarator. “Dit resultaat is goed nieuws voor iedereen die met fusie bezig is. De meeste reactoren gaan uiteindelijk met dit soort deuterium-tritiumbrandstof werken.”

De bekendste daarvan wordt megaproject ITER, een ongeveer 27 miljard euro kostende reuzenreactor die momenteel in de Franse Provence wordt gebouwd. Die wordt op zijn vroegst pas rond 2035 in gebruik genomen, en dient bovendien op zijn beurt weer als voorstudie naar vervolgreactor DEMO, verwacht rond 2050. Dat moet dan de eerste fusiereactor worden die – als alles verloopt zoals gewenst – ook daadwerkelijk dienst gaat doen als energiecentrale. Op zijn vroegst zal kernfusie daarom pas rond 2060 significant kunnen bijdragen aan onze energieproductie, denken experts. Daarmee komt het te laat voor de huidige energietransitie, die rond 2050 voltooid moet zijn.

Op de pijnbank

Netto leverde het plasma bij de nieuwe experimenten overigens geen energie op, daarvoor kostte het draaiend houden van het experiment simpelweg te veel energie. Zo’n nettoresultaat was tegelijk ook helemaal niet de bedoeling. Voor energiewinst is namelijk het schaalvoordeel van een forse reactor zoals ITER nodig. De Britse testreactor, een veel kleiner model, is gebouwd om de achterliggende fysica op de pijnbank leggen.

Sinds het record uit 1997 is de reactor geüpdatet en is onze kennis over kernfusie sterk verbeterd. De testreactor heeft daarom onder meer een nieuwe wand gekregen. “Het gedrag van je plasma is afhankelijk van de wand die je gebruikt”, zegt Westerhof. Vanaf de wand kunnen verontreinigingen namelijk in het plasma belanden en er bijvoorbeeld voor zorgen dat dat plasma energie verliest. De nieuwe wand is gemaakt van wolfraam en beryllium, die het plasma minder storen dan het koolstof uit de vorige wand. Ook ITER gebruikt deze materialen daarom straks.

Daarnaast kreeg de testreactor krachtigere verwarmingselementen dan voorheen om het plasma te verhitten, en paste men decennia aan vergaarde kennis toe over de achterliggende natuurkunde. Dat zorgde er onder meer voor dat de onderzoekers nu beter wisten wanneer en op welke plek je het plasma moet verhitten. 

Dat ze met deze technieken, dezelfde die men vanaf 2035 in de grote reactor in Frankrijk hanteert, een nieuw record hebben gevestigd, is een bevestiging dat kernfusie op de goede weg is. “Wetenschappelijk is dit van significant belang”, reageert fysicus Richard Hawryluk (Princeton University). “Dit resultaat verstevigt ons vertrouwen dat ITER z’n missie zal voltooien.”

‘Nog lang niet klaar’

De resultaten van het onderzoek zijn, in tegenstelling tot wat gebruikelijk is in de wetenschap, nog niet gepubliceerd in een vakblad. Een aantal experimenten is zelfs überhaupt nog niet klaar. Desondanks wilden de betrokken onderzoekers het goede nieuws over de energieproductie direct naar buiten brengen. De meer gedetailleerde, wetenschappelijk doorwrochte analyse volgt later.

“We hebben met de reactor veel andere metingen gedaan, die onze kennis over plasma nog verder zullen vergroten”, zegt Westerhof. Zo probeerden de onderzoekers onder meer nieuwe verhittingsmethoden uit, de ze straks ook kunnen gebruiken in ITER. 

“Ik denk dat we over een à twee jaar de belangrijkste resultaten wel zo’n beetje gepubliceerd hebben.” En ook daarna verwacht Westerhof dat fysici uit de huidige metingen nog nieuwe ontdekkingen halen. “We zijn hier nog lang niet klaar mee.”