Ontsteking (fusie): wanneer kernfusie zichzelf in stand houdt
Ontsteking is het moment waarop een kernfusiereactie meer energie oplevert dan er nodig was om haar op gang te brengen. Stel je een kampvuur voor: zolang je blaast en extra hout aandraagt, brandt het dankzij jouw inspanning. Pas als de vlammen uit zichzelf doorbranden en zelfs warmte overhouden, is het vuur 'ontstoken' in de eigenlijke zin. Bij kernfusie werkt het vergelijkbaar, alleen dan met waterstofkernen die versmelten tot helium en daarbij enorme hoeveelheden energie vrijgeven, zoals ook in de zon gebeurt.
Decennialang was dit moment vooral een rekenkundig doel op papier: fysici wisten dat het kon, maar geen enkel laboratorium had ooit een fusiereactie gemaakt die netto meer energie opleverde dan de energie die er met lasers of magneten in werd gestopt. Dat veranderde op 5 december 2022, toen onderzoekers van de National Ignition Facility (NIF) in Californië voor het eerst laboratorium-ontsteking bereikten. Dat nieuws haalde wereldwijd de voorpagina's, al is het, zoals dit artikel laat zien, nog een hele stap verwijderd van fusie-energie uit het stopcontact.
Wat is het precies?
Om atoomkernen te laten versmelten, moet je de natuurlijke afstoting tussen positief geladen kerndeeltjes overwinnen. Dat lukt alleen bij extreme temperaturen (tientallen miljoenen graden) en druk, waarbij waterstofkernen dicht genoeg bij elkaar komen om te fuseren. Er bestaan twee hoofdaanpakken om die omstandigheden te creëren.
De eerste heet inertial confinement fusion (ICF), letterlijk 'traagheidsopsluiting'. Bij de NIF wordt een millimetergroot balletje met deuterium en tritium (beide zware vormen van waterstof) in een fractie van een seconde van alle kanten beschoten door 192 krachtige lasers. Die lasers verhitten en comprimeren het balletje zo snel en hevig dat er in het centrum druk en temperatuur ontstaan die lijken op de kern van de zon. De traagheid van de brandstof zelf houdt haar heel even bijeen, lang genoeg voor fusiereacties.
De tweede aanpak is magnetic confinement fusion (MCF), waarbij een wolk extreem heet, geïoniseerd gas (plasma) niet met lasers maar met sterke magneetvelden op zijn plek wordt gehouden. Dat gebeurt meestal in een donutvormige ring, een zogeheten tokamak. Omdat het plasma nooit een vaste wand raakt, kan het urenlang heet blijven zonder te smelten.
Hoeveel energie een fusiereactie nodig heeft om zichzelf in stand te houden, wordt beschreven door het Lawson-criterium, genoemd naar de Britse natuurkundige John Lawson die het in 1955 formuleerde. Dit criterium combineert de dichtheid van het plasma, de temperatuur en hoelang het plasma bijeengehouden kan worden tot één vuistregel: pas als deze drie factoren samen een bepaalde drempel overschrijden, ontstaat er een netto-energiewinst. Het NIF-resultaat van 2022 was voor het eerst een experimentele bevestiging dat die drempel haalbaar is: met 2,05 megajoule aan laserenergie op het doelwit werd 3,15 megajoule aan fusie-energie geproduceerd, een winst van ongeveer anderhalf keer de ingestraalde energie.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel van fusieonderzoek is een elektriciteitsbron die vrijwel onuitputtelijk is, geen broeikasgassen uitstoot en geen langlevend radioactief afval produceert zoals bij de huidige kernsplijtingscentrales. De brandstof, deuterium, is in grote hoeveelheden te winnen uit gewoon zeewater, en tritium kan in de reactor zelf worden gekweekt uit lithium. Er is bovendien geen risico op een op hol geslagen kernreactie zoals bij splijting: zodra de voeding stopt of de opsluiting faalt, dooft het fusieproces vanzelf uit.
Die belofte verklaart waarom overheden en investeerders al decennia geld in fusieonderzoek steken, ondanks de lange tijdshorizon. Ontsteking is daarbij een belangrijke, maar niet de laatste horde: het is het bewijs dat de natuurkunde werkt zoals voorspeld, niet het bewijs dat er een werkende energiecentrale gebouwd kan worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Het duidelijkste voorbeeld is de doorbraak bij de National Ignition Facility op 5 december 2022, waar voor het eerst ter wereld laboratorium-ontsteking met inertial confinement werd aangetoond. Nadien zijn bij de NIF meerdere vervolgexperimenten uitgevoerd die aantoonden dat het resultaat herhaalbaar was, met wisselende opbrengsten per schot.
Op het gebied van magnetic confinement fusion is de Joint European Torus (JET) in het Verenigd Koninkrijk een mijlpaalproject: deze tokamak zette in 1997 en opnieuw in 2021-2022 wereldrecords neer voor de hoeveelheid fusie-energie die met een magnetisch opgesloten plasma werd opgewekt, al bleef de energiebalans daarbij ruim onder ontsteking.
De opvolger van dat soort tokamaks moet ITER worden, in aanbouw in Cadarache, Frankrijk. Dit is het grootste internationale fusieproject ooit, met deelname van onder meer de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, India, Japan en Zuid-Korea. ITER moet aantonen dat magnetic confinement fusion op grote schaal een netto-energiewinst kan opleveren, maar wekt zelf nog geen elektriciteit op voor het net.
Ook private bedrijven boeken vooruitgang. Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van het Massachusetts Institute of Technology, bouwt de SPARC-tokamak met nieuwe hogetemperatuur-supergeleidende magneten, die compactere reactoren mogelijk moeten maken. Helion Energy kondigde een stroomleveringsovereenkomst aan met Microsoft, wat de ambitie van dat bedrijf onderstreept, al is dat geen garantie dat de bijbehorende planning wordt gehaald.
Hoe ver is de techniek?
De ontsteking bij de NIF in 2022 was een belangrijk wetenschappelijk keerpunt, maar er is een cruciaal onderscheid tussen deze 'wetenschappelijke ontsteking' en een werkende energiecentrale. De 3,15 megajoule aan fusie-energie werd afgezet tegen de 2,05 megajoule laserenergie die het doelwit daadwerkelijk raakte, niet tegen de totale hoeveelheid elektriciteit die het hele lasersysteem uit het stroomnet trok om die laserpulsen te genereren. Die laatste is vele malen hoger, waardoor de installatie als geheel nog altijd fors meer energie verbruikt dan ze produceert.
Voor een echte energiecentrale zijn nog grote stappen nodig: reactoren moeten tientallen keren per seconde kunnen 'schieten' in plaats van een enkele keer per dag, materialen moeten bestand zijn tegen jarenlange neutronenbombardementen, en er moet voldoende tritium beschikbaar zijn of ter plekke gekweekt kunnen worden, wat schaars en lastig is. Ook ITER kampt met dit soort technische complexiteit en heeft in de loop der jaren meermaals vertraging opgelopen ten opzichte van eerdere planningen.
Private bedrijven presenteren vaak optimistische jaartallen voor wanneer zij netto energie zouden kunnen leveren, maar dergelijke deadlines zijn in deze sector historisch gezien vaker verschoven dan gehaald. Het eerlijke antwoord is dat fusie-energie voor het elektriciteitsnet nog op zijn vroegst over meerdere decennia wordt verwacht, en dat niemand met zekerheid kan zeggen wanneer dat exact zal zijn.
Wie werken eraan?
Het Lawrence Livermore National Laboratory in de Verenigde Staten, waar de NIF onderdeel van is, staat aan het front van inertial confinement fusion en wordt gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie. Op het gebied van magnetic confinement fusion trekt ITER de meeste aandacht, met een consortium van de Europese Unie (via EUROfusion), de Verenigde Staten, Rusland, China, India, Japan en Zuid-Korea. Daarnaast speelt het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) een coördinerende rol in internationale fusiesamenwerking.
In de private sector zijn Commonwealth Fusion Systems, Helion Energy, TAE Technologies en het Canadese General Fusion de bekendste namen, elk met een eigen technische aanpak: van supergeleidende tokamaks tot alternatieve brandstofcombinaties zoals waterstof-boor bij TAE. Deze bedrijven worden gefinancierd door een mix van durfkapitaal, techbedrijven en overheidssubsidies.