Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Amerikaanse wetenschappers beweren dat ze voor de tweede keer met kernfusie meer energie hebben opgewekt dan nodig was om de fusiereacties op gang te krijgen.
In december 2022 was het groot nieuws. Toen zouden onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Californië in hun National Ignition Facility (NIF) een ‘kernfusiedoorbraak’ hebben neergezet. Voor het eerst was het ze gelukt om door middel van kernfusie – het doen samensmelten van atoomkernen – meer energie op te wekken dan nodig was om de fusiereacties op gang te krijgen. En nu beweert het NIF dat het wéér is gelukt om netto energiewinst te behalen.
Lees ook:
Kernfusie… wat is dat ook alweer?
Onze zon wekt energie op door middel van kernfusie, waarbij waterstof wordt samengesmolten tot helium. In het binnenste van de ster heerst een extreem hoge temperatuur én een extreem hoge dichtheid. Daardoor kunnen atoomkernen van waterstof (die elkaar afstoten, omdat ze allemaal een positieve elektrische lading hebben) toch op elkaar knallen. Ze smelten dan samen tot heliumkernen, die nét ietsje lichter zijn dan de oorspronkelijke waterstofatomen. Dat verschil in massa wordt omgezet in energie die de zon al miljarden jaren aan het branden houdt. Dit trucje proberen verschillende partijen al jaren op aarde uit te voeren. Het doel: kernfusiecentrales die meer energie moeten produceren dan ze verbruiken.
Wat is er precies gelukt?
Zoals gezegd stelt het Amerikaanse lab dat het voor de tweede keer met kernfusie meer energie wist op te wekken dan nodig was om de fusiereacties op gang te krijgen. Eind vorig jaar produceerde het ruim 3 megajoule aan energie, terwijl de gebruikte lasers – 192 stuks – net iets meer dan 2 megajoule aanleverden. Dat was een primeur, omdat experimentele kernfusiereactors altijd een eindje bleven steken onder het punt dat break-even wordt genoemd: evenveel energie eruit als erin.
Nu beweert het onderzoeksinstituut dat het een nog hogere opbrengst heeft behaald in een kernfusiereactie dan de eerste keer. Paul Rhien, een woordvoerder van het LLNL, zei in een verklaring: “De analyse van de resultaten is nog gaande, maar we kunnen bevestigen dat het experiment een hogere opbrengst opleverde dan de test in december.” Hoeveel meer energie de wetenschappers deze keer uit hun opstelling hebben gehaald, is dus nog niet bekend.
Hoe kregen de wetenschappers de fusiereactie voor elkaar?
Met lasers, net als de vorige keer. De meeste reactoren, waaronder de internationale fusiereactor ITER in Zuid-Frankrijk, gebruiken magneetvelden om het plasma (het geïoniseerde gas) waarin de fusiereacties plaatsvinden in bedwang te houden. Maar er is ook een alternatieve manier. Daarbij bevindt zich een kleine capsule met waterstof in een cilinder. Vervolgens schiet je met een groot aantal lasers op die cilinder. Aan de binnenwand van die cilinder ontstaat daardoor naar binnen gerichte röntgenstraling, die de capsule van alle kanten tegelijk samendrukt en verhit. Daardoor ontstaan in die capsule kernfusiereacties.
Dus… ‘we’ zijn er nog lang niet?
Ongeacht wat de energieopbrengst deze keer was: een krachtcentrale die met kernfusie energie opwekt, is er nog lang niet. Het is ook niet zo dat laserfusie een grotere kanshebber is dan fusie met magnetische velden. Fysici en ingenieurs weten inmiddels behoorlijk goed hoe je een tokamak bouwt; het populairste reactorontwerp dat met magneten werkt. Natuurlijk: de internationale reactor ITER, als hij af is de grootste tokamak ter wereld, wordt al decennialang geplaagd door vertragingen. En nog steeds duikt er om de zoveel tijd een nieuwe kink op in de kabels. Maar er ís een planning voor de komende decennia.
Zo moet de experimentele kernfusiereactor ITER in 2026 af zijn. Hebben we dan over een paar jaar die beloofde kernfusiereactor? Ja en nee. ITER wordt, als het goed is, de eerste reactor van zijn type die meer energie produceert dan hij verbruikt. Maar die mijlpaal staat pas in de planning voor 2035. Voordat de reactor klaar is voor de beoogde brandstofmix van deuterium en tritium, zal hij eerst nog jarenlang met gewoon waterstofgas aan de slag gaan.
En ook in 2035 zijn we er nog lang niet. ITER moet vooral laten zien dat het mogelijk is om netto energie uit fusie te halen. Deze machine gaat niet daadwerkelijk elektriciteit aan het net leveren. Die taak is weggelegd voor de zogeheten DEMO-reactoren, de opvolgers van ITER, waarvan de bouw pas rond 2040 van start gaat. En dan zal het nog wel zo’n vijftien jaar duren voor ze er daadwerkelijk staan. Daarna moet de industrie het stokje overnemen van de wetenschap, en de stap zetten van een handvol demonstratiereactoren naar volwaardige energiecentrales. Die fase duurt naar schatting zo’n 25 jaar, waardoor we via de ITER-route pas rond 2080 met kernfusie een deel van onze energiebehoefte op kunnen wekken. (Er zijn de nodige bedrijven die beweren veel sneller een reactor te kunnen leveren, maar of die hun beloftes waar kunnen maken, is maar zeer de vraag.)
Bij laserfusie valt zo’n planning überhaupt niet te maken. Daarvoor zijn er simpelweg nog te veel openstaande vragen. Hoe kunnen we het enorme verschil tussen hoeveel energie de lasers verbruiken en hoeveel energie de capsule oplevert op termijn overbruggen? Hoe maken we die brandstofcapsules – die nu peperduur zijn – veel en veel goedkoper? En kunnen we de installatie zo inrichten dat hij niet meer urenlang hoeft af te koelen na één ‘laserschot’ op de capsule, maar meerdere schoten per minuut kan afvuren? Als een van die problemen onoplosbaar blijkt, dan is een commerciële laserfusiereactor simpelweg geen optie.
Tekst: Jean-Paul Keulen, Laurien Onderwater
Bronnen: The Washington Post, The Guardian
Beeld: Damien Jemison/LLNL/CC BY-SA 3.0