Magnetische doelfusie: hoe we een stukje van de zon in een magnetische kooi willen vangen
Diep in de zon versmelten voortdurend lichte atoomkernen tot zwaardere, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Magnetische doelfusie — voluit magnetische opsluitingsfusie, in het Engels magnetic confinement fusion — is de poging om dat proces hier op aarde te herhalen in een reactor, en de vrijkomende warmte om te zetten in elektriciteit. Het woord "doel" verwijst hier niet naar een fysiek doelwit zoals bij een ander fusieconcept met laserschoten, maar naar het doel van de magnetische velden: het vasthouden en in vorm houden van het fusiemateriaal.
Stel je een wervelende wolk van gloeiend heet gas voor, heter dan het binnenste van de zon, die je in een donutvormige ruimte moet laten zweven zonder dat ze ook maar één wand raakt. Geen enkel bekend materiaal zou die hitte doorstaan. De oplossing is een onzichtbare "kooi" van magneetvelden die het gas op zijn plek houdt, zoals een hand die een zeepbel in de lucht laat zweven zonder hem aan te raken. Die kooi, en de techniek om hem te bouwen en te beheersen, is waar magnetische doelfusie om draait.
Wat is het precies?
Fusie-energie ontstaat wanneer twee lichte atoomkernen met elkaar versmelten tot een zwaardere kern. Het meest voor de hand liggende paar is deuterium en tritium, twee zware varianten (isotopen) van waterstof. Wanneer hun kernen samensmelten ontstaat helium plus een vrij neutron, en komt een klein beetje massa vrij als energie — volgens Einsteins beroemde E=mc². Per kilogram brandstof levert dit miljoenen keren meer energie op dan het verbranden van kolen of gas.
Het probleem is dat atoomkernen positief geladen zijn en elkaar daardoor afstoten: de zogeheten Coulombbarrière. Om die afstoting te overwinnen moeten de kernen met extreme snelheid op elkaar botsen, wat alleen gebeurt bij temperaturen van ongeveer 100 tot 150 miljoen graden Celsius — zo'n tien keer heter dan de kern van de zon. Bij die temperatuur raken elektronen volledig los van hun atoomkernen en ontstaat plasma: een elektrisch geladen gas van losse kernen en elektronen, soms de "vierde aggregatietoestand" genoemd naast vast, vloeibaar en gasvormig.
Omdat plasma elektrisch geladen is, bewegen de deeltjes erin langs magnetische veldlijnen. Dat maakt het mogelijk om het plasma vorm te geven en op afstand te houden van elke wand met sterke magneten, in plaats van met een fysieke container. Het populairste ontwerp is de tokamak: een torus- of donutvormig vat, omringd door spoelen die een "toroidaal" veld opwekken dat rond de ring loopt, gecombineerd met een elektrische stroom die dóór het plasma zelf wordt gestuurd en een tweede, "poloidaal" veld opwekt. Samen vormen die twee velden een licht verdraaide magnetische structuur die het plasma stabiel houdt. Een alternatief ontwerp is de stellarator, waarbij alle benodigde verdraaiing al in complex gevormde externe spoelen is ingebouwd, zodat er geen stroom door het plasma zelf nodig is. Dat maakt stellarators inherent stabieler, maar veel ingewikkelder om te bouwen.
Om het plasma op temperatuur te krijgen en te houden, gebruikt men onder meer de opwarming door de plasmastroom zelf, het inschieten van snelle neutrale deeltjesbundels, en microgolf- of radiofrequente straling. De uiteindelijke maatstaf voor succes is het zogeheten Lawson-criterium: het product van temperatuur, dichtheid van het plasma en de tijd dat je het bij elkaar kunt houden (de opsluittijd) moet boven een bepaalde drempel komen voordat er netto meer energie uit fusiereacties komt dan erin is gestopt om het plasma op te warmen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van fusie-energie is een vrijwel onuitputtelijke, schone energiebron. Deuterium is in grote hoeveelheden te winnen uit gewoon zeewater, en tritium kan worden "gekweekt" uit lithium in de reactorwand zelf, dus brandstoftekort is in principe geen probleem. Tijdens de werking van een fusiereactor komt geen CO2 vrij.
Fusiereactoren kennen ook geen risico op een meltdown zoals bij kernsplijting: zodra de magnetische opsluiting of de verhitting wegvalt, koelt het plasma vrijwel direct af en stopt de reactie vanzelf. Het radioactieve afval bestaat vooral uit reactorwanden die door neutronenbombardement geactiveerd zijn, maar dat afval blijft doorgaans veel minder lang gevaarlijk dan het hoogradioactieve splijtingsafval van kerncentrales.
Het idee is dat fusiecentrales, net als kerncentrales nu, constante "basislast"-stroom kunnen leveren als aanvulling op de wisselende opbrengst van zon en wind. Daarnaast speelt een geopolitiek motief: landen die zelf fusietechnologie beheersen, zijn minder afhankelijk van import van fossiele brandstoffen of van splijtbaar materiaal.
Voorbeelden uit de praktijk
JET (Joint European Torus), bij Culham in het Verenigd Koninkrijk, was decennialang de grootste tokamak ter wereld. In februari 2022 zette JET een record neer door ongeveer 59 megajoule aan fusie-energie te produceren tijdens een plasmapuls van 5 seconden — een belangrijk bewijs dat de gebruikte brandstofmix op grotere schaal werkt.
ITER, in aanbouw in Cadarache, Frankrijk, is het grootste internationale fusieproject ooit: een samenwerking van 35 landen, waaronder de EU, de VS, Rusland, China, India, Japan en Zuid-Korea. De bouw loopt al sinds de jaren 2010 en is herhaaldelijk vertraagd door technische en logistieke complexiteit. Volgens de meest recente planning wordt rond 2033-2035 gerekend op de eerste echte plasma-experimenten met de volledige brandstofmix.
Wendelstein 7-X, de grootste stellarator ter wereld, staat bij het Max Planck Institute für Plasmaphysik in Greifswald, Duitsland. In 2023 zette dit toestel een record neer voor een langdurige, stabiele plasma-ontlading van enkele minuten, met een energie-input in de orde van gigajoules — een belangrijke stap om te laten zien dat het stellarator-ontwerp ook over langere tijd stabiel kan blijven.
EAST, een Chinese tokamak in Hefei, breekt de laatste jaren herhaaldelijk records voor de duur van stabiel plasma, van enkele honderden seconden in 2023 tot naar verluidt ruim 1000 seconden in 2025. Lange pulsduur is cruciaal, omdat een toekomstige centrale continu moet kunnen draaien in plaats van in korte flitsen.
SPARC, ontwikkeld door het Amerikaanse bedrijf Commonwealth Fusion Systems (een spin-off van MIT) in Massachusetts, is een compacte tokamak die gebruikmaakt van nieuwe hogetemperatuur-supraleidende magneten. Het bedrijf streeft ernaar rond 2027 voor het eerst netto energiewinst te demonstreren (meer fusie-energie eruit dan verwarmingsenergie erin, aangeduid als Q>1), al zijn dit soort doelstellingen in de fusiewereld vaker opgeschoven dan gehaald.
Hoe ver is de techniek?
Magnetische doelfusie is nog volledig experimenteel: nergens op de wereld levert een fusiereactor momenteel elektriciteit aan het stroomnet. Wel is er gestage vooruitgang te zien in records voor pulsduur, temperatuur en geproduceerde energie, mede dankzij de komst van sterkere en compactere hogetemperatuur-supraleidende magneten, die kleinere en potentieel goedkopere reactoren mogelijk maken dan voorheen gedacht.
De belangrijkste obstakels liggen op meerdere vlakken tegelijk. Ten eerste moet het plasma lang genoeg én dicht genoeg bij elkaar gehouden worden om aan het Lawson-criterium te voldoen, wat in de praktijk nog niet gecombineerd is bereikt op het niveau dat nodig is voor een centrale. Ten tweede moeten materialen worden ontwikkeld die jarenlang bestand zijn tegen intense neutronenbundels en hittestromen zonder te verzwakken. Ten derde moet het kweken van tritium uit lithium op industriële schaal nog bewezen worden. En ten slotte is er de simpele vraag of dit allemaal economisch rendabel te bouwen en te onderhouden is.
De tijdlijn van ITER, ooit bedoeld als doorbraakproject voor de jaren 2020, laat goed zien hoe hardnekkig deze vertragingen zijn: de eerste plannen gingen uit van een veel eerdere datum dan de huidige verwachting van midden jaren 2030. Private bedrijven bewegen momenteel sneller met kleinere demonstratiereactoren, maar die moeten nog bewijzen dat hun aanpak ook op de schaal van een echte energiecentrale werkt. De brede inschatting onder experts is dat commercieel bruikbare fusie-elektriciteit, als het al lukt, niet eerder dan ergens tussen 2035 en 2040 te verwachten is — en dat blijft met aanzienlijke onzekerheid omgeven.
Wie werken eraan?
Aan de publieke kant trekt de ITER Organization de meeste aandacht, als samenwerkingsverband van 35 landen. In Europa coördineert EUROfusion het onderzoek dat voortbouwt op de ervaring van JET, en wordt gewerkt aan het ontwerp van een opvolger genaamd DEMO. Het Max Planck Institute für Plasmaphysik in Duitsland is de drijvende kracht achter Wendelstein 7-X en stellaratoronderzoek. In het Verenigd Koninkrijk werkt de UK Atomic Energy Authority vanuit Culham aan de erfenis van JET en aan een eigen ontwerp genaamd STEP. China onderzoekt fusie via de Hefei Institutes of Physical Science (verantwoordelijk voor EAST) en werkt aan een opvolger genaamd CFETR. Zuid-Korea heeft zijn eigen tokamak, KSTAR, en in de Verenigde Staten financiert het Department of Energy onderzoek bij onder meer het DIII-D-toestel van General Atomics en het Princeton Plasma Physics Laboratory.
Daarnaast is een groeiende groep private bedrijven actief, vaak met kapitaal van durfinvesteerders en techbedrijven. Commonwealth Fusion Systems in de VS bouwt aan SPARC, Tokamak Energy in het Verenigd Koninkrijk werkt met zijn ST40-toestel aan compacte tokamaks, en Proxima Fusion in Duitsland is een stellarator-spin-off van het Max Planck Institute. Er zijn ook bedrijven die met verwante maar net andere opsluitingsconcepten experimenteren, zoals TAE Technologies met zogeheten field-reversed configuraties; die vallen net buiten de klassieke tokamak/stellarator-aanpak maar maken evengoed gebruik van magnetische velden om plasma vast te houden.