Kennisbank › Commerciële kernfusie
Commerciële kernfusie: de techniek, de spelers en de stand van zaken
Diep in de kern van de zon versmelten voortdurend waterstofatomen tot helium. Bij dat proces komt een enorme hoeveelheid energie vrij – zo veel dat de zon al miljarden jaren licht en warmte naar de aarde stuurt. Kernfusie is precies dat proces: het samensmelten van lichte atoomkernen tot een zwaardere kern, waarbij energie vrijkomt. Vergelijk het met twee druppels kwik die elkaar met kracht aantrekken zodra ze dicht genoeg bij elkaar komen en bij het samensmelten energie afgeven: op subatomair niveau gebeurt er iets vergelijkbaars, alleen komt de energie bij fusie uit de kernkracht die atoomkernen bijeenhoudt.
"Commerciële kernfusie" is de race om dit natuurproces op aarde na te bootsen en er, anders dan in de zon, op een beheersbare manier bruikbare elektriciteit mee op te wekken – winstgevend en op grote schaal. Dat is makkelijker gezegd dan gedaan: de zon heeft de immense zwaartekracht van een hemellichaam van zo'n 2 miljoen miljard miljard ton om de reactie op gang te houden, en die luxe hebben ingenieurs op aarde niet. Toch wordt er wereldwijd, met tientallen miljarden euro's aan publiek en privaat geld, gewerkt aan reactoren die dit proces moeten temmen. Lukt dat, dan gloort een energiebron die vrijwel onuitputtelijk is en nauwelijks CO2 of langlevend radioactief afval oplevert.
Wat is het precies?
Voor fusie zijn meestal twee zware vormen van waterstof nodig: deuterium en tritium. Dit zijn isotopen – atomen van hetzelfde element, maar met een extra neutron (deuterium) of twee extra neutronen (tritium) in de kern. Verhit je een mengsel van deze isotopen tot temperaturen van rond de 100 tot 150 miljoen graden Celsius, dan wordt het gas een plasma: de elektronen raken los van de atoomkernen en je krijgt een wolk van vrij bewegende, elektrisch geladen deeltjes.
In dat plasma botsen deuterium- en tritiumkernen soms hard genoeg tegen elkaar om te versmelten tot een heliumkern, waarbij een snel neutron en een grote hoeveelheid energie vrijkomt. Het probleem: geen enkel materiaal op aarde is bestand tegen direct contact met plasma van 100 miljoen graden. Onderzoekers gebruiken daarom sterke magneetvelden om het plasma "zwevend" in het midden van een vacuümkamer te houden, uit de buurt van de wanden.
De bekendste vorm van zo'n reactor is de tokamak: een donutvormige (torus) kamer omringd door supergeleidende magneten. Een variant is de stellarator, waarin de magneten in een complexe, gedraaide vorm liggen – lastiger te bouwen, maar stabieler in bedrijf. Een heel andere aanpak is traagheidsopsluiting (inertial confinement): daarbij wordt een piepklein bolletje brandstof van alle kanten tegelijk beschenen met krachtige lasers, zodat het zo snel wordt samengeperst en verhit dat er fusie optreedt voordat het bolletje uiteenspat.
Of een reactor meer energie oplevert dan hij kost, wordt uitgedrukt in de Q-waarde: de verhouding tussen de energie die uit de fusiereacties komt en de energie die nodig was om het plasma te verhitten. Bij Q=1 (ook wel breakeven genoemd) is dat gelijk; voor een centrale die winstgevend stroom levert, moet Q ruim boven de 1 liggen, en moet ook rekening worden gehouden met alle energie die de hele installatie – inclusief lasers, magneten en koeling – zelf verbruikt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een elektriciteitsbron die drie dingen combineert die nu zelden samengaan: vrijwel onbeperkte brandstof, geen CO2-uitstoot tijdens bedrijf, en geen risico op een meltdown zoals bij kernsplijting (fissie), de techniek die huidige kerncentrales gebruiken.
Deuterium is in overvloed te winnen uit zeewater, en tritium kan in de reactor zelf worden "gekweekt" uit lithium, een metaal dat relatief veel voorkomt. Dat maakt fusiebrandstof, anders dan uranium, nauwelijks een schaars goed.
Fusiereactoren produceren bovendien geen langlevend hoogradioactief afval zoals fissiecentrales. Wel raken onderdelen van de reactor na verloop van tijd radioactief door het neutronenbombardement, maar dat afval blijft doorgaans veel korter gevaarlijk. En een meltdown is fysiek vrijwel onmogelijk: zodra de omstandigheden in het plasma verstoord raken, dooft de fusiereactie vanzelf uit – er is geen kettingreactie die op hol kan slaan.
Voorstanders zien fusie als aanvulling op zonne- en windenergie: een bron die, anders dan die twee, constant stroom kan leveren (baseload), ongeacht weer of jaargetijde. Daarnaast spelen geopolitieke motieven mee: landen die zelf fusie-energie kunnen opwekken, zijn minder afhankelijk van import van olie, gas of uranium.
Voorbeelden uit de praktijk
ITER (Cadarache, Frankrijk) is het grootste fusieproject ter wereld: een tokamak die wordt gebouwd door een samenwerkingsverband van 35 landen. De bouw begon rond 2010, maar loopt fors uit; in 2024 werd een nieuwe, latere planning bekendgemaakt waarbij de eerste plasma-experimenten pas medio jaren 2030 worden verwacht, in plaats van het oorspronkelijke doel van 2025. ITER is niet bedoeld om elektriciteit aan het net te leveren, maar om te bewijzen dat een Q-waarde van 10 haalbaar is.
JET (Joint European Torus), decennialang gevestigd in het Britse Culham, zette in februari 2022 een record: de tokamak produceerde 59 megajoule aan fusie-energie in ongeveer vijf seconden, destijds de hoogste hoeveelheid ooit door een fusiereactor opgewekt. JET stopte eind 2023 met experimenteren en wordt sindsdien ontmanteld.
NIF (National Ignition Facility) van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, VS, gebruikt de lasermethode. Op 5 december 2022 haalde het team hier voor het eerst "ignition" (ontsteking): de fusiereacties in het brandstofbolletje leverden meer energie op (ruim 3 megajoule) dan de lasers erin hadden gestopt (ruim 2 megajoule). Een wetenschappelijke doorbraak, al gebruikten de lasers zelf op dat moment vele malen meer stroom uit het stopcontact dan er netto werd gewonnen.
Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van MIT, bouwt in Devens (Massachusetts, VS) de tokamak SPARC. Het bedrijf zet in op nieuwe, sterkere supergeleidende magneten (HTS, van hoge-temperatuur-supergeleiding) om een compactere reactor te bouwen, en mikt op een demonstratie van netto energiewinst in de tweede helft van de jaren 2020.
Helion Energy, eveneens uit de VS, volgt een geheel andere, pulserende aanpak zonder tokamak. Het bedrijf sloot in 2023 een stroomcontract met techbedrijf Microsoft, met de belofte om vanaf 2028 50 megawatt fusie-elektriciteit te leveren – een van de meest ambitieuze tijdlijnen in de sector.
Hoe ver is de techniek?
Er bestaat een oude grap in de sector: "fusie is al zeventig jaar dertig jaar ver weg." Sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw wordt er onderzoek gedaan, en de doorbraak naar een werkende, winstgevende centrale is er nog altijd niet. Toch is sinds ongeveer 2020 duidelijk een versnelling te zien, mede dankzij nieuwe magneettechnologie en veel privaat investeringskapitaal.
De ignition bij NIF eind 2022 was voor het eerst een experimenteel bewijs dat een fusiereactie netto energie uit de brandstof kan halen – een mijlpaal die decennialang als doel gold. Belangrijk om te beseffen: dit ging om de energie in de laserbundels versus de energie uit het brandstofbolletje, niet om de totale energie die de faciliteit uit het elektriciteitsnet trok. Reken je dat wel mee, dan is NIF nog ver verwijderd van een centrale die netto stroom levert.
Bij tokamaks heeft nog geen enkele reactor een Q-waarde boven de 1 gehaald op basis van de energie die in het plasma zelf is gestopt; JET kwam met zijn record uit 2022 dichtbij, maar bleef eronder. ITER moet dat pas in de jaren 2030 aantonen – en zelfs ITER wekt nog geen elektriciteit op.
De grootste technische obstakels zijn niet alleen het verhitten van het plasma, maar ook: materialen vinden die jarenlang bestand zijn tegen het intense neutronenbombardement zonder te verzwakken, het op industriële schaal "kweken" van voldoende tritium uit lithium, en het overschakelen van korte pulsen naar (nagenoeg) continu bedrijf. Private bedrijven claimen vaak snellere tijdlijnen dan de gevestigde onderzoeksprogramma's, maar veel onafhankelijke natuurkundigen blijven voorzichtig: brede consensus is dat de eerste stroomleverende fusiecentrales, als ze er komen, niet vóór het midden van de jaren 2030 en waarschijnlijk pas na 2040 operationeel zullen zijn.
Wie werken eraan?
ITER wordt gedragen door 35 landen, waaronder de EU-lidstaten, de Verenigde Staten, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India – een van de grootste internationale wetenschappelijke samenwerkingen ooit.
Daarnaast is er een groeiende groep private fusiebedrijven, voornamelijk gefinancierd met durfkapitaal: Commonwealth Fusion Systems en TAE Technologies (beide VS), Helion Energy (VS, met OpenAI-topman Sam Altman als persoonlijke investeerder), Tokamak Energy en First Light Fusion (beide Verenigd Koninkrijk), en General Fusion (Canada).
Op onderzoeksgebied lopen het Max Planck Institute for Plasma Physics in Duitsland (met de stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald), de UK Atomic Energy Authority (die JET beheerde en nu werkt aan het opvolgerprogramma STEP), het Franse CEA (met de tokamak WEST) en het Lawrence Livermore National Laboratory (NIF) voorop. China investeert eveneens fors, onder meer met de tokamak EAST in Hefei. In Nederland doet DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) in Eindhoven fundamenteel plasma- en fusieonderzoek.