Fusiebrandstofcyclus: hoe voed je een kunstmatige zon met brandstof?
Een kernfusiereactor lijkt op het eerste gezicht simpel: stop waterstof erin, verhit het tot honderden miljoenen graden, en er komt energie uit. Maar die waterstof is niet zomaar te tanken. De fusiebrandstofcyclus is het geheel van processen waarmee een fusiereactor aan zijn brandstof komt, die brandstof verbrandt en de restanten weer omzet in nieuwe brandstof. Het is, kortom, de hele bevoorradingsketen rond het fusievuur.
Een handige vergelijking is een houtkachel die niet alleen hout verbrandt, maar tegelijk zelf bomen moet planten, kappen en drogen om nooit zonder brandstof te vallen. Bij kernfusie is dat geen overdreven beeld: één van de twee benodigde waterstofvarianten, tritium, komt in de natuur nauwelijks voor en moet de reactor grotendeels zelf produceren terwijl hij draait. Zonder een werkende brandstofcyclus stopt een fusiecentrale binnen enkele jaren simpelweg omdat de brandstof op is.
Wat is het precies?
De meeste fusiereactoren die nu gebouwd worden, gebruiken twee zware vormen van waterstof: deuterium en tritium, samen aangeduid als D-T-fusie. Deuterium is een stabiele, ongevaarlijke waterstofvariant die in ruime hoeveelheden in gewoon zeewater zit. Tritium is radioactief, vervalt met een halveringstijd van ongeveer 12,3 jaar en komt vrijwel niet natuurlijk voor.
Bij de fusiereactie smelten een deuterium- en een tritiumkern samen tot helium, waarbij een snel neutron en een grote hoeveelheid energie vrijkomen. Dat neutron is niet alleen een bijproduct: het is de sleutel tot de hele brandstofcyclus. De reactorwand rond het plasma, de zogeheten breeding blanket (kweekmantel), bevat lithium. Wanneer de neutronen uit de fusiereactie dat lithium raken, ontstaat er nieuw tritium.
Dat gebeurt via twee kernreacties. Lithium-6 vangt een neutron en valt uiteen in tritium en helium; dit is de belangrijkste bron van nieuwe brandstof. Lithium-7 kan met een snel neutron eveneens tritium en helium vormen, en stoot daarbij nóg een neutron uit, wat de reactie efficiënter maakt. Het gevormde tritium wordt vervolgens uit de blanket gehaald, gezuiverd en teruggevoerd naar de reactor als nieuwe brandstof. Zo ontstaat een gesloten kringloop: verbruikte brandstof wordt binnen dezelfde installatie weer aangevuld.
Cruciaal is de zogeheten tritium breeding ratio (TBR): het aantal nieuwe tritiumkernen dat ontstaat per verbruikte tritiumkern. Is de TBR lager dan 1, dan raakt de reactor onvermijdelijk door zijn brandstof heen. Vanwege radioactief verval, lekverliezen en onvolkomen verwerking streven ontwerpers naar een TBR van ruim boven de 1, doorgaans in de orde van 1,05 tot 1,15, om een veilige marge te hebben.
Naast D-T bestaan er alternatieve brandstofcycli. D-D-fusie gebruikt alleen deuterium, wat de tritiumproblematiek omzeilt maar hogere temperaturen vergt. Nog verder weg staat aneutronische fusie, zoals proton-boor-11, die nauwelijks neutronen en dus nauwelijks radioactiviteit oplevert, maar temperaturen nodig heeft die vele malen hoger liggen dan bij D-T. Deze routes worden vooral door kleinere, experimentele bedrijven onderzocht als mogelijke oplossing op de langere termijn.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een fusiecentrale die niet afhankelijk is van tritium van buitenaf, omdat die simpelweg niet in voldoende hoeveelheden bestaat. De wereldvoorraad tritium is klein, wordt vrijwel volledig geproduceerd als bijproduct van civiele zware-waterreactoren (het CANDU-type, met name in Canada) en neemt de komende decennia naar verwachting af doordat die reactoren verouderen en tritium blijft vervallen. Voor een enkel onderzoeksexperiment is dat geen probleem, maar voor een wereldwijde vloot commerciële fusiecentrales absoluut wel.
Een zelfvoorzienende brandstofcyclus is daarom geen bijzaak maar een randvoorwaarde voor commerciële kernfusie. Daarnaast moet de blanket een dubbele functie vervullen: naast het kweken van tritium moet hij ook de warmte van de neutronen opvangen, die vervolgens via een warmtewisselaar stoom en elektriciteit oplevert. De brandstofcyclus en de energieproductie zijn dus met elkaar verweven.
Voorbeelden uit de praktijk
Bij JET, de Joint European Torus in het Britse Culham, werd in december 2021 een recordhoeveelheid fusie-energie geproduceerd met echte D-T-brandstof: circa 59 megajoule in een paar seconden, een opvolger van eerdere D-T-experimenten uit 1997. JET had geen kweekmantel en verbruikte extern aangeleverd tritium; het toestel diende vooral om te bewijzen dat een grote tokamak veilig met tritium kan werken. JET is inmiddels buiten dienst gesteld en wordt nu ontmanteld.
ITER, de internationale testreactor in het Zuid-Franse Cadarache, is het grootste fusieproject ter wereld en gebouwd door een samenwerkingsverband van 35 landen. ITER zal zelf niet tritium-zelfvoorzienend zijn, maar test wel een aantal losse Breeding Blanket Test Modules (verschillende ontwerpen van kweekmantels) om te zien welke technologie het beste werkt voor toekomstige reactoren. Het project heeft in de loop der jaren herhaaldelijk vertraging opgelopen; de planning voor de start van D-T-experimenten ligt nu ruim na 2035, al is enige onzekerheid over exacte data inherent aan een project van deze omvang.
In China wordt gewerkt aan de CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor), die als opvolger van ITER expliciet als doel heeft om, in tegenstelling tot ITER, wél tritium-zelfvoorziening en netto elektriciteitsproductie te demonstreren. Het project bevindt zich nog in de ontwerp- en vroege bouwfase.
Het Britse STEP-programma (Spherical Tokamak for Energy Production) van UKAEA moet op de locatie West Burton, een voormalige kolencentrale, een prototype fusiecentrale met werkende breeding blanket opleveren, met een streefjaar in het begin van de jaren 2040.
In de Verenigde Staten bouwt Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van MIT, de compacte tokamak SPARC in Devens, Massachusetts, met als doel voor het eerst meer fusie-energie te produceren dan er in het plasma wordt gestoken. Het opvolgende commerciële ontwerp, ARC, moet een breeding blanket bevatten op basis van vloeibaar lithiumzout (FLiBe), dat tegelijk tritium kweekt en warmte afvoert.
Hoe ver is de techniek?
De fysica achter tritiumkweek is decennialang bestudeerd en op laboratoriumschaal getest, maar een volledig werkende, zelfvoorzienende brandstofcyclus in een echte, draaiende fusiereactor bestaat nog nergens. Alle tokamaks die tot nu toe met D-T hebben gedraaid, waaronder JET, deden dat zonder kweekmantel en dus zonder eigen tritiumproductie.
ITER is de eerste installatie die kweekmantels daadwerkelijk in een werkende fusiereactor gaat beproeven, maar dat gebeurt op beperkte schaal en pas in een latere fase van het project. Belangrijke technische obstakels zijn onder meer: materialen die jarenlang bestand moeten zijn tegen het intense neutronenbombardement zonder te verzwakken of te broos te worden, het snel en efficiënt onttrekken van tritium uit de blanket voordat het vervalt of wegdiffundeert, en het in de praktijk halen van een TBR die consistent boven de 1 blijft, in plaats van alleen op papier of in simulaties.
Ondertussen tikt de klok op de wereldwijde tritiumvoorraad: die wordt over enkele decennia een knelpunt naarmate de huidige zware-waterreactoren die het leveren, worden uitgefaseerd. Dat vergroot de urgentie om de brandstofcyclus tijdig te laten werken, ruim voordat de eerste commerciële fusiecentrales in bedrijf komen.
Wie werken eraan?
ITER Organization coördineert het gelijknamige project in Frankrijk namens de Europese Unie, de Verenigde Staten, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India. In Europa bundelt het onderzoeksconsortium EUROfusion de nationale fusielaboratoria, waaronder het Britse UKAEA (verantwoordelijk voor JET en het STEP-programma) en het Duitse Max Planck Institut für Plasmaphysik.
In China trekken staatsinstituten en de Chinese Academie van Wetenschappen de ontwikkeling van CFETR. In de Verenigde Staten zijn naast nationale laboratoria als Oak Ridge en het Princeton Plasma Physics Laboratory ook private bedrijven actief, met Commonwealth Fusion Systems als bekendste voorbeeld voor de D-T-route en TAE Technologies als voorloper op het gebied van aneutronische, tritiumvrije brandstofcycli. Ook General Atomics in de VS draagt bij aan onderzoek naar materialen en reactorontwerp dat relevant is voor toekomstige brandstofcycli.