Eerste plasma: de eerste mijlpaal op weg naar kernfusie-energie
Wanneer een nieuwe kernfusiereactor voor het eerst wordt aangezet, spreken wetenschappers van "eerste plasma". Dat is het moment waarop het gas binnen in de reactor voor het eerst overgaat in een plasma: een hete, elektrisch geladen gasvorm waarin atomen uit elkaar zijn gevallen in losse, geladen deeltjes (ionen en elektronen). Plasma wordt wel de "vierde toestand van materie" genoemd, naast vast, vloeibaar en gasvormig, en het is precies deze toestand die nodig is om kernfusie in gang te zetten.
Een goede vergelijking is het voor het eerst starten van een nieuwe motor die je jarenlang hebt ontworpen en gebouwd. Bij eerste plasma draait de "motor" nog niet op volle kracht en levert hij nog geen bruikbare energie; het is een test of alle onderdelen werken zoals bedoeld. Pas na deze eerste succesvolle test kunnen ingenieurs stap voor stap doorbouwen naar een reactor die daadwerkelijk energie uit kernfusie haalt.
Wat is het precies?
Een fusiereactor probeert twee lichte atoomkernen, meestal waterstofvarianten, met elkaar te laten samensmelten. Dat proces, kernfusie, levert enorm veel energie op, net zoals het in de zon gebeurt. Om dit op aarde voor elkaar te krijgen, moet een gas worden verhit tot extreme temperaturen, tientallen tot honderden miljoenen graden Celsius, veel heter dan de kern van de zon.
Bij zulke temperaturen verliezen atomen hun elektronen en blijft er een mengsel van losse atoomkernen en elektronen over: het plasma. Omdat geen enkel bekend materiaal dit plasma zonder te smelten kan aanraken, gebruiken onderzoekers sterke magneetvelden om het plasma in het midden van een vacuümvat te laten "zweven", los van de wanden. Dit heet magnetische opsluiting.
De twee meest gebruikte reactorontwerpen zijn de tokamak en de stellarator. Een tokamak is donutvormig en gebruikt een combinatie van magneetspoelen en een elektrische stroom door het plasma zelf om het veld vorm te geven. Een stellarator heeft geen stroom door het plasma nodig, maar gebruikt in plaats daarvan ingewikkeld gevormde magneetspoelen, wat technisch lastiger te bouwen is maar het plasma stabieler zou moeten houden.
Bij het bereiken van eerste plasma wordt het vacuümvat voor het eerst gevuld met een klein beetje gas, meestal gewoon waterstof of helium, dus nog niet de eigenlijke fusiebrandstof deuterium en tritium (twee zwaardere varianten van waterstof). Met een korte energiepuls, bijvoorbeeld via microgolven of elektrische stroom, wordt dit gas geïoniseerd tot een kortstondig, relatief koel plasma. Er vindt dan nog geen kernfusie plaats; het doel is puur om te testen of het vacuümsysteem, de magneten, de verwarmingsapparatuur en de meetinstrumenten goed samenwerken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel achter al deze techniek is kernfusie-energie: elektriciteit opwekken via hetzelfde proces dat de zon en andere sterren van energie voorziet. Fusie belooft een aantal grote voordelen ten opzichte van huidige energiebronnen. Er komt geen CO2 vrij tijdens het opwekken van energie, wat relevant is voor de aanpak van klimaatverandering.
De brandstof is bovendien relatief overvloedig: deuterium is te winnen uit zeewater en tritium kan in de reactor zelf worden "gekweekt" uit lithium, een metaal dat op aarde ruim voorradig is. In tegenstelling tot kernsplijting, de techniek die in bestaande kerncentrales wordt gebruikt, ontstaat bij fusie geen langlevend hoogradioactief afval, en een ongecontroleerde kettingreactie of meltdown is fysisch niet mogelijk: zodra de opsluiting van het plasma verstoord raakt, dooft het proces vanzelf uit.
Binnen het bouwtraject van een reactor is eerste plasma een cruciale, maar bescheiden, tussenstap. Het bevestigt dat de basisinfrastructuur werkt voordat je overgaat op hogere vermogens, langere plasma-pulsen en uiteindelijk echte deuterium-tritiumfusie. Zonder een geslaagde eerste plasma-test heeft het weinig zin om door te gaan naar de veel duurdere en complexere vervolgfases.
Voorbeelden uit de praktijk
Wendelstein 7-X, een stellarator van het Max Planck Institut für Plasmaphysik in Greifswald, Duitsland, bereikte zijn eerste plasma in december 2015. Het apparaat wordt sindsdien gebruikt om te onderzoeken of het stellaratorontwerp geschikt is voor langdurige, stabiele plasma's.
JET (Joint European Torus), gevestigd bij Culham in het Verenigd Koninkrijk, is decennialang de grootste operationele tokamak ter wereld geweest en bereikte zijn eerste plasma al in 1983. JET leverde in 1997 en opnieuw in 2021 en 2023 recordhoeveelheden fusie-energie uit deuterium-tritiumexperimenten, al bleef de netto energiebalans steeds negatief. De faciliteit is inmiddels buiten gebruik gesteld.
ITER, het grote internationale fusieproject in Cadarache, Frankrijk, is het meest ambitieuze project tot nu toe, gericht op het aantonen dat fusie op reactorschaal netto energie kan opleveren. Eerste plasma was oorspronkelijk gepland voor 2025, maar is door technische tegenslagen en de coronapandemie herhaaldelijk uitgesteld; volgens de bijgewerkte ITER-baseline uit 2024 wordt eerste plasma nu voorzien rond 2033-2034, met de eigenlijke deuterium-tritium-experimenten pas jaren daarna.
Ook KSTAR in Zuid-Korea en EAST in China, beide supergeleidende tokamaks, hebben hun eerste plasma al bereikt (respectievelijk in de jaren 2008 en 2006) en worden sindsdien gebruikt om records te vestigen in de duur waarmee een hoge plasmatemperatuur kan worden volgehouden.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk om eerste plasma te onderscheiden van het echte einddoel: netto energieproductie. Wetenschappers drukken de energiebalans van een fusiereactor uit in de zogeheten Q-waarde, de verhouding tussen de energie die de fusiereactie oplevert en de energie die nodig was om het plasma te verhitten. Een Q-waarde boven de 1 betekent dat er meer energie uitkomt dan erin ging; voor een commercieel bruikbare centrale moet Q ver boven de 1 liggen.
Geen enkele magnetisch opgesloten reactor heeft dit tot nu toe duurzaam bereikt. Een opvallende uitzondering kwam in 2022 van de National Ignition Facility (NIF) in de Verenigde Staten, waar via laserfusie (een heel andere techniek dan magnetische opsluiting) voor het eerst kortstondig meer energie uit een fusiereactie kwam dan de lasers erin stopten. Dit was een belangrijke wetenschappelijke doorbraak, maar geen directe stap richting een elektriciteitscentrale, en niet vergelijkbaar met de tokamak- en stellaratorbenadering van ITER en soortgelijke projecten.
Bij ITER laten de herhaalde vertragingen zien hoe complex dit soort megaprojecten is: originele doelen uit begin jaren 2000 zijn intussen meerdere keren bijgesteld. Tegelijk zien we de afgelopen jaren een opkomst van private fusiebedrijven die met kleinere, snellere ontwerpen werken, mede dankzij nieuwe hoge-temperatuur supergeleidende magneten die sterkere magneetvelden mogelijk maken in compactere apparaten. Of deze private aanpak sneller tot een werkende energiecentrale leidt dan de grote publieke programma's, is nog onzeker; vooralsnog heeft geen van deze bedrijven een werkende, netto energieleverende reactor gebouwd.
Wie werken eraan?
Het ITER-consortium is het grootste internationale samenwerkingsverband op dit gebied, met deelname van de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India. In Duitsland richt het Max Planck Institut für Plasmaphysik zich op stellaratoronderzoek via Wendelstein 7-X. In het Verenigd Koninkrijk beheert het UK Atomic Energy Authority (UKAEA) de voormalige JET-faciliteit en werkt het aan de opvolger STEP, een tokamak die moet aantonen dat fusie-elektriciteit haalbaar is.
Zuid-Korea (KSTAR) en China (EAST, en het geplande grotere CFETR) hebben eigen nationale programma's met langetermijnambities. Daarnaast is een groeiend aantal private bedrijven actief, waaronder Commonwealth Fusion Systems in de Verenigde Staten (een spin-off van het MIT, bezig met de SPARC-reactor), Tokamak Energy in het Verenigd Koninkrijk, en TAE Technologies en Helion Energy, beide eveneens in de Verenigde Staten, die elk met een eigen technische aanpak experimenteren.