Het Lawson-criterium: de rekensom achter kernfusie-energie
Stel je een kampvuur voor. Om het brandend te houden zonder steeds nieuw hout aan te dragen, moet je aan een paar voorwaarden voldoen: het hout moet dicht genoeg opeengepakt liggen, er moet genoeg van zijn, en het geheel moet heet genoeg branden om zichzelf gaande te houden. Voldoe je niet aan die combinatie, dan dooft het vuur uit, hoe hard je ook blaast. Het Lawson-criterium is in feite dezelfde rekensom, maar dan voor een kernfusiereactor: een formule die aangeeft wanneer een hete, geladen gaswolk (plasma) zichzelf warm genoeg houdt om fusie-energie te blijven produceren.
Het criterium is genoemd naar de Britse natuurkundige John D. Lawson, die het idee in de jaren vijftig uitwerkte in een destijds geheim rapport en het rond 1957 publiceerde. Sindsdien is het de belangrijkste vuistregel waarmee fusieonderzoekers checken of hun ontwerp ook maar in de buurt komt van een werkende energiebron, of dat het simpelweg te weinig, te koud of te kort brandt.
Wat is het precies?
Kernfusie is het samensmelten van lichte atoomkernen, meestal varianten van waterstof, tot een zwaardere kern, waarbij energie vrijkomt. Dat gebeurt van nature in de kern van de zon. Om atoomkernen te laten versmelten, moet je eerst de natuurlijke afstoting tussen twee positief geladen kernen overwinnen, de zogeheten Coulomb-afstoting. Dat lukt alleen als de deeltjes met enorme snelheid op elkaar botsen, wat in de praktijk betekent: bij extreem hoge temperatuur, in de orde van honderd miljoen graden Celsius.
Bij zulke temperaturen vallen atomen uiteen in losse, geladen deeltjes: elektronen en atoomkernen die vrij door elkaar bewegen. Dat mengsel heet plasma, wel eens de "vierde toestand van materie" genoemd, naast vast, vloeibaar en gas. Zo'n plasma moet je op de een of andere manier bij elkaar houden zonder dat het de wand van je reactor raakt, want geen enkel materiaal overleeft direct contact met iets zo heets.
Lawson liet zien dat drie grootheden samen bepalen of een plasma netto energie oplevert: de dichtheid (hoeveel deeltjes er per volume-eenheid zitten, aangeduid met n), de opsluitingstijd (hoe lang je het plasma heet en dicht bij elkaar weet te houden, aangeduid met tau) en de temperatuur (T). Het product van deze drie, n × tau × T, staat bekend als het "triple product". Overschrijdt dat product een bepaalde drempelwaarde, dan komt er in theorie meer energie vrij uit fusiereacties dan er nodig was om het plasma op te warmen.
Die drempelwaarde hangt af van welke brandstof je gebruikt. Een mengsel van deuterium en tritium, twee zware varianten van waterstof, heeft verreweg de laagste drempel en is daarom de brandstof van vrijwel alle huidige experimenten. Andere combinaties, zoals pure deuterium-deuterium-fusie, vergen veel hogere temperaturen en dichtheden en liggen daarom nog verder buiten bereik.
Twee begrippen komen hier vaak naast voor. De Q-factor is de verhouding tussen de geproduceerde fusie-energie en de energie die je erin moest stoppen om het plasma te verhitten: bij Q=1 spreek je van "breakeven", er komt evenveel uit als erin ging. "Ignition" (ontsteking) is de volgende stap: het punt waarop de warmte van de fusiereacties zelf het plasma op temperatuur houdt, zonder dat er nog externe verwarming nodig is, vergelijkbaar met het kampvuur dat op eigen kracht doorbrandt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een energiebron die grote hoeveelheden stroom levert zonder CO2-uitstoot, zonder het risico op een meltdown zoals bij kernsplijtingscentrales, en zonder duizenden jaren radioactief afval. Deuterium is in vrijwel onbeperkte mate te winnen uit zeewater, en tritium kan in de reactor zelf worden gekweekt uit lithium, een relatief algemeen beschikbaar metaal. Fusieonderzoekers noemen dit daarom weleens de "heilige graal" van de energieopwekking, al benadrukken serieuze wetenschappers ook steevast hoe ver die graal nog weg is.
Het Lawson-criterium is daarbij het meetlat waarmee elk nieuw ontwerp wordt beoordeeld: haalt een reactorconcept, of het nu een donutvormige "tokamak", een gedraaide "stellarator" of een laseropstelling is, de combinatie van dichtheid, opsluitingstijd en temperatuur die nodig is? Zonder die drempel te halen blijft fusie een netto energieverslindend natuurkundig experiment in plaats van een energiebron.
Voorbeelden uit de praktijk
De JET (Joint European Torus) in het Verenigd Koninkrijk, decennialang de grootste tokamak ter wereld, zette in 1997 een record neer met zo'n 16 megawatt fusievermogen uit een enkele puls. In februari 2022 verbeterde JET dat record met 59 megajoule aan fusie-energie, opgewekt over ongeveer vijf seconden, een mijlpaal die liet zien dat langduriger, stabielere fusiepulsen mogelijk zijn, al bleef de proefopstelling nog ver onder een netto energiewinst voor het hele systeem.
De National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in de Verenigde Staten gebruikt een heel andere aanpak: laserinertiële opsluiting, waarbij bijna tweehonderd krachtige lasers een piepklein brandstofkorreltje in een fractie van een seconde comprimeren en verhitten. In december 2022 meldde NIF voor het eerst "wetenschappelijke breakeven" op targetniveau: het korreltje gaf meer fusie-energie af dan de laserenergie die het daadwerkelijk raakte. Belangrijke kanttekening: het totale stroomverbruik van de hele laserinstallatie lag nog altijd vele malen hoger dan de geoogste fusie-energie, dus van een energiewinst voor het complete systeem is nog geen sprake.
ITER, in aanbouw in Cadarache in Zuid-Frankrijk, is het grootste internationale fusieproject ooit: een samenwerking van onder meer de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India. Het project moet aantonen dat een Q-factor van rond de 10 haalbaar is, dus tien keer zoveel fusie-energie als de verwarmingsenergie die erin gaat. ITER kampt echter met forse vertragingen en kostenoverschrijdingen ten opzichte van de oorspronkelijke planning; de eerste plasmatests zijn intussen verschoven naar het begin van de jaren 2030.
In Duitsland test de stellarator Wendelstein 7-X van het Max Planck Institut für Plasmaphysik in Greifswald een alternatieve, complex gevormde magneetconfiguratie die plasma stabieler zou kunnen opsluiten dan een tokamak. Wendelstein 7-X is niet gebouwd om fusie-energie te winnen, maar om de opsluitingstijd en stabiliteit van dit ontwerp te onderzoeken.
Ook private bedrijven mengen zich in het veld. Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van het Amerikaanse MIT, bouwt met SPARC een compacte tokamak die dankzij nieuwe hogetemperatuur-supergeleidende magneten kleiner en goedkoper zou moeten zijn dan ITER, met als doel in de tweede helft van dit decennium een netto energiewinst te demonstreren.
Hoe ver is de techniek?
Ondanks tientallen jaren onderzoek bestaat er nog geen fusiereactor die op commerciële schaal stroom levert. De vooruitgang is stapsgewijs: elk experiment schuift de grens van het triple product een stukje verder op, maar de sprong naar een reactor die continu, betrouwbaar en winstgevend draait, is nog niet gemaakt. Het verschil tussen "target gain" (winst op het brandstofkorreltje, zoals bij NIF) en "wall-plug gain" (winst voor het hele systeem inclusief lasers, magneten en koeling) laat zien hoe voorzichtig cijfers over "doorbraken" gelezen moeten worden.
Belangrijke technische obstakels blijven bestaan: materialen die decennialang bestand zijn tegen intense neutronenstraling, het op grote schaal kweken van voldoende tritium uit lithium, het continu (in plaats van in korte pulsen) draaiend houden van een plasma, en simpelweg de kosten van de benodigde infrastructuur. Private bedrijven claimen vaak snellere tijdpaden dan de klassieke, door overheden gefinancierde projecten, met beloftes van werkende demonstratiereactoren ergens in de jaren 2030. Onafhankelijke experts wijzen er echter op dat dergelijke tijdlijnen in de fusiewereld al decennialang stelselmatig worden bijgesteld, en dat gezonde scepsis op zijn plaats blijft.
Wie werken eraan?
Op internationaal, publiek gefinancierd niveau lopen voorop: de ITER Organization in Frankrijk, gedragen door onder meer de Europese Unie (via Euratom), de Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India; de Europese onderzoekssamenwerking EUROfusion; het Duitse Max Planck Institut für Plasmaphysik (Wendelstein 7-X); het Amerikaanse Lawrence Livermore National Laboratory (NIF); en de Britse UK Atomic Energy Authority, die JET beheerde en werkt aan de opvolger STEP.
Daarnaast is een groeiend aantal private bedrijven actief, waaronder Commonwealth Fusion Systems, TAE Technologies, Helion Energy, General Fusion en Tokamak Energy, stuk voor stuk gefinancierd met aanzienlijk risicokapitaal. China investeert eveneens fors, met de tokamak EAST en plannen voor een grotere opvolger, CFETR, als onderdeel van zijn ambities op het gebied van fusie-energie.