Een anekdote is bekend: kernfusie zal over twintig jaar zijn. Zal altijd over twintig jaar zijn. Deze grap, die nu niet langer grappig meer is, kwam voort uit het optimisme van wetenschappers die in de jaren vijftig (en in elk daaropvolgend decennium) dachten dat kernfusie nog maar twintig jaar verwijderd was. Nu is deze anekdote serieus genomen door een startup - geboren in MIT (Massachusetts Institute of Technology), een zeer gerespecteerd en beroemd instituut: Commonwealth Fusion Technologies. De startup belooft over 15 jaar een werkende kernfusiereactor te lanceren. Belooft goedkope, schone en onbeperkte energie die alle crises op het gebied van fossiele brandstoffen en klimaatverandering zal oplossen. Dus zeggen ze: "een potentieel onuitputtelijke en koolstofvrije energiebron."
Enige probleem: we hebben dit al vaker gehoord. Wat is er deze keer anders?
Een ander beroemd cliché betreft de energie van fusie. Het idee is simpel: je doet de zon in een fles. Het enige dat overblijft is om een fles te bouwen. De fusie-energie drijft de sterren aan, maar het vereist ongelooflijk hete en dichte omstandigheden om het plasma te laten werken.
Er kan een enorme hoeveelheid energie vrijkomen wanneer twee lichtkernen samensmelten: de deuterium-tritiumfusie, die wordt uitgevoerd als onderdeel van het ITER-experiment, zendt 17,6 MeV per reactie uit, een miljoen keer meer energie per molecuul dan je krijgt van de explosie van TNT. Maar om deze energie vrij te maken, moet je de krachtige elektrostatische afstoting tussen de kernen, die beide positief geladen zijn, overwinnen. De sterke interactie op korte afstanden leidt tot een fusie waarbij al deze energie vrijkomt, maar de kernen moeten heel dichtbij worden gebracht - op femtometers. Bij sterren gebeurt dit vanzelf door de enorme gravitatiedruk op het materiaal, maar op aarde is dit moeilijker.
Eerst moet je materialen vinden die overleven na blootstelling aan temperaturen van honderden miljoenen graden Celsius.
Plasma bestaat uit geladen deeltjes; materie en elektronen worden weggespoeld. Het kan op zijn plaats worden gehouden door een magnetisch veld dat het plasma tot een cirkel vouwt. Manipulaties met het magnetische veld maken het ook mogelijk om dit plasma te comprimeren. In de jaren vijftig en zestig verscheen een hele generatie apparaten met exotische namen: Stellarator, Misschienatron, Z-Pinch, hiervoor ontworpen. Maar het plasma dat ze probeerden vast te houden, was onstabiel. Plasma zelf genereert elektromagnetische velden, het kan worden beschreven door een zeer complexe theorie van magnetohydrodynamica. Kleine afwijkingen of defecten aan het plasma-oppervlak liepen snel uit de hand. Kortom, de apparaten werkten niet zoals bedoeld.
De Sovjet-Unie ontwikkelde een tokamak-apparaat dat enorm verbeterde prestaties bood. Tegelijkertijd werd een laser uitgevonden, die een nieuw type synthese mogelijk maakte: synthese met traagheidsbeperking.
In dit geval is het niet langer nodig om het plasma in magnetische velden brandend te houden; het is nodig om het in korte tijd door een explosie met lasers te comprimeren. Maar experimenten met inertiële opsluiting leden ook aan instabiliteit. Ze lopen al sinds de jaren zeventig en krijgen misschien ooit hun zin, maar het grootste tot nu toe, het National Ignition Laboratory in Livermore, Californië, heeft nooit een break-even punt bereikt waar meer energie zal worden geproduceerd dan verbruikt.
Promotie video:
Veel van de hoop is bij ITER, 's werelds grootste magnetische opsluiting-fusie-tokamak, die nog in aanbouw is.
De projectontwikkelaars hopen binnen 20 minuten het plasma te ontsteken om 500 MW aan vermogen op te wekken met een nominaal vermogen van 50 MW. Volledige fusie-experimenten zijn gepland voor 2035, maar problemen met de internationale samenwerking tussen de VS, de USSR (toen nog), Japan en Europa leidden tot grote vertragingen en oplopende budgetten. Het project is 12 jaar te laat en kost 13 miljard dollar. Dit is niet ongebruikelijk voor projecten waarvoor enorme installaties moeten worden gebouwd.
Volgens het ITER-plan zou DEMO, de eerste thermonucleaire fusiereactor die zal werken als een energiecentrale, die de fusie ontsteekt en ondersteunt, in 2040 of zelfs 2050 in bedrijf worden genomen. Met andere woorden, kernfusie … zal over twintig jaar zijn. Er is een tendens om problemen met instabiliteit op te lossen door steeds meer faciliteiten te bouwen. ITER zal groter zijn dan JET, en DEMO zal groter zijn dan ITER.
Door de jaren heen hebben veel teams internationale samenwerking uitgedaagd met kleinere ontwerpen. De vraag is niet snelheid, maar bruikbaarheid. Als het echt miljarden dollars en tientallen jaren kost om een fusiereactor te bouwen, is het dan de moeite waard? Wie betaalt de bouw? Misschien dat tegen de tijd dat er een werkende tokamak is gebouwd, de combinatie van zonnepanelen en nieuwe batterijen ons energie zal opleveren die goedkoper is dan die van de tokamak. Sommige projecten - zelfs de beruchte "koude kernfusie" - bleken vals te zijn of niet te werken.
Anderen verdienen meer aandacht. Startups met nieuwe ontwerpen van fusiereactor - of, in sommige gevallen, herziene versies van oudere pogingen.
Tri Alpha verwacht plasmawolken te laten botsen in een structuur die doet denken aan de Large Hadron Collider en vervolgens het fusieplasma lang genoeg in een magnetisch veld te houden om break-even te maken en energie te genereren. Ze slaagden erin om in enkele milliseconden de vereiste temperaturen en plasma-opsluiting te bereiken en ook meer dan $ 500 miljoen aan risicokapitaal op te halen.
De Lockheed Martin Skunk Works, bekend om hun geheime projecten, maakten in 2013 furore door aan te kondigen dat ze werkten aan een compacte fusiereactor van 100 MW ter grootte van een straalmotor. Ze verklaarden toen dat het prototype over vijf jaar klaar zou zijn. Ze hebben natuurlijk geen ontwerpdetails bekendgemaakt. In 2016 werd bevestigd dat het project financiering ontvangt, maar velen hebben het vertrouwen al verloren en zijn sceptisch geworden.
En tegen de achtergrond van al deze schande, stormden MIT-wetenschappers de ring binnen. Bob Mumgaard, CEO van Commonwealth Fusion Energy, zei: “We zijn vastbesloten om op tijd een werkplek te krijgen om klimaatverandering tegen te gaan. We denken dat de wetenschap, snelheid en schaalbaarheid van het project vijftien jaar zal duren."
Het nieuwe project van MIT volgt het ontwerp van de tokamak, zoals het in het verleden heeft gedaan. Het SPARC-apparaat zou 100 MW energie moeten produceren in 10 seconden opsluitingspulsen. Het was al eerder mogelijk om energie uit pulsen te halen, maar het break-evenpunt is wat wetenschappers echt aantrekt.
Een speciale saus in dit geval zijn de nieuwe supergeleidende magneten voor hoge temperaturen van yttrium-barium-koperoxide. Aangezien HTSM krachtigere magnetische velden kan creëren bij dezelfde temperatuur als conventionele magneten, kan het mogelijk zijn plasma te comprimeren met een lager ingangsvermogen, een lager magnetisch apparaat en syntheseomstandigheden te bereiken in een apparaat dat 65 keer kleiner is dan ITER. Dat is hoe dan ook het plan. Ze hopen in de komende drie jaar supergeleidende magneten te maken.
Wetenschappers zijn optimistisch: "Onze strategie is om conservatieve fysica te gebruiken op basis van tientallen jaren werk aan het MIT en elders", zegt Martin Greenwald, associate director van het Center for Plasma Science and Fusion bij MIT. "Als de SPARC de verwachte prestaties behaalt, dicteert mijn instinct dat het kan worden opgeschaald naar een echte energiecentrale."
Er zijn veel andere projecten en startups die op dezelfde manier beloven allerlei soorten tokamaks en internationale samenwerkingsbudgetten te omzeilen. Het is moeilijk te zeggen of een van hen het geheime ingrediënt voor de synthese zal vinden, of dat ITER, met zijn gewicht in de wetenschappelijke gemeenschap en de steun van landen, zal winnen. Het is nog steeds moeilijk te zeggen wanneer en of fusie de beste energiebron zal worden. Synthese is moeilijk. Dit is hoe de geschiedenis laat zien.
Ilya Khel
