Kleinere sterkere magneten en een eerste succesvolle ontsteking brengen kernfusie op aarde belangrijke stap dichterbij

Kernfusie, dat is het energieproces van de zon en de sterren. Kernfusie brengt lichte atoomkernen samen (fusie) onder de vorm van plasma, waarbij enorme hoeveelheden energie worden opgewekt. Wetenschappers proberen kernfusie op aarde na te bootsen omdat het een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en milieuvriendelijke energie en elektriciteit oplevert.

Een nieuwe belangrijke doorbraak qua materialen

Onderzoekers van het Amerikaanse Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hebben een nieuw type magneet ontwikkeld voor kernfusiereactoren. Het materiaal waaruit de nieuwe magneten zijn gebouwd is sterker, neemt minder plaats in, is hittebestendig en bovendien ook supergeleidend. Doordat ze supergeleidend zijn, kunnen ze een sterker magnetisch veld creëren en dat alles op een kleiner oppervlak.

Het nieuwe ontwerp heeft tal van voordelen:

• Volgens Jon Menard, adjunct-directeur onderzoek van PPPL, kunnen met het nieuwe type magneet kleinere en goedkopere fusiereactoren worden gebouwd. Door de compacte vorm kunnen makkelijker reparaties gebeuren zonder dat je de rest van de tokamak moet ontmantelen, wat de operationele kost aanzienlijk verlaagt. Doordat de magneten hittebestendig zijn, kunnen ze voor een langere periode operationeel blijven, en kan de tokamak langere tijd elektriciteit produceren.
• Bovendien verlaagt het nieuwe type magneten ook de kost voor kernfusie, op twee manieren. De nieuwe magneten hebben geen klassieke isolatie nodig (in epoxy en glasvezel) om elektriciteit te geleiden. De meer eenvoudige behuizing verlaagt de kost aanzienlijk.
• Tenslotte kunnen hittebestendige en supergeleidende magneten bijdragen om op termijn een eenvoudige bolvormige tokamak te ontwerpen (het huidige ontwerp heeft de vorm van een donut, en is daarom een pak complexer). Een bolvormige tokamak laat een hogere stroomdichtheid toe, en de kleinere en meer compacte wikkelingen bieden meer ruimte voor een ondersteunende structuur die de machine beter moeten helpen om te weerstaan aan de hoge magnetische velden.

Een eerste succesvolle ontsteking (ignition)

Voor de eerste keer zijn wetenschappers erin geslaagd om een succesvolle ontsteking te creëren in een laboratorium. De ontsteking is het moment waarop een kernfusiereactie zelfonderhoudend wordt. Het experiment vond plaats in het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) op 8 augustus, en de resultaten van het experiment zijn gevalideerd door meer dan 1000 wetenschappers en gepubliceerd in 3 peer-reviewed artikels.

De fusiereactie produceerde meer dan een megajoule aan energie en voldeed daarmee aan wat in de literatuur bekend staat als Lawson's criterium voor ontsteking. Dit soort resultaten zijn nooit eerder gezien, en daarom vormen ze een belangrijke mijlpaal in de realisatie van kernfusie op aarde.

Kernfusie, de heilige graal in energie

Kernfusie wordt al langer beschouwd als dé energieoplossing voor de toekomst. De voordelen van fusie tegenover kernsplijting zijn zeer groot. Klassiek radioactief kernafval zoals bij kernsplijting is er niet. Door de fusiereactie wordt de reactor zelf wel een beetje radioactief, maar het materiaal kan al binnen honderd jaar weer veilig hergebruikt worden. Hoogactief afval bij kernsplijting kan honderdduizenden jaren radioactief blijven. Het restproduct bij kernfusie is helium, dat niet radioactief is, niet chemisch reageert in de atmosfeer en geen broeikasgas is, waardoor het niet bijdraagt aan de klimaatverandering. Het is ook veiliger. Een ongeval zoals Tsjernobyl is onmogelijk, omdat de techniek niet gebaseerd is op een kettingreactie die uit controle kan raken.

De enige functionerende kernfusiereactoren die we momenteel kennen, zijn de sterren met als dichtste voorbeeld natuurlijk de zon. Wetenschappers proberen al langer dat procedé hier op aarde na te maken. Alleen is het onmogelijk om dezelfde druk te creëren als op de zon. Ter compensatie wordt de temperatuur fors opgedreven. Een paar gram waterstof wordt zo verhit tot 150 miljoen graden Celsius, dat is tien keer heter dan het centrum van de zon. Onder die extreme temperaturen verandert de brandstof in een plasma en vinden er fusiereacties plaats.

Conclusie

Deze twee nieuwsberichten zijn een belangrijke stap naar de praktische realisatie van fusie-energie als energiebron. Langzaam maar zeker komt een techniek tot stand die geheel of gedeeltelijk een oplossing moet bieden voor het dreigende energieprobleem en de daarmee verbonden ernstige milieuproblematiek. Op Europese bodem werken wetenschappers van over de hele wereld samen aan de realisatie van de grootste fusiereactor ooit, ITER. Als kernfusie alle verwachtingen inlost, schatten wetenschappers dat vanaf 2050 kernfusiereactoren gebouwd kunnen worden die een rol kunnen spelen in onze energiebevoorrading, en zicht geven op een stabiele bron van veilige, milieuvriendelijke en bijna onuitputtelijke energie.