[column] Kernfusie

[Kappetijn]

In 1981 had ik als wetenschapsjournalist van Elseviers Weekblad het genoegen prof. C.M. Braams te interviewen. Braams was directeur van het in Jutphaas gevestigde Instituut voor Plasmafysica van de stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM). In een schitterende kamer van het fraaie kasteel Rijnhuizen in de buurt van Utrecht, sprak ik met hem over de ontwikkeling van kernfusie. In 1973 had Braams bij de oprichting van het instituut gezegd dat de problemen van kernfusie tegen het einde van de jaren zeventig opgelost zouden zijn en dat naar verwachting voor de eeuwwisseling kernfusiereactoren elektriciteit zouden leveren. Daar was hij, acht jaar later, van teruggekomen. In mijn artikel ‘Kernfusie: de weg tussen droom en werkelijkheid’ zei Braams: “Ik verwacht dat er in 2030 een kernfusiecentrale op commerciële wijze elektriciteit zal opwekken.”
Het was toen, meer dan veertig jaar geleden, voor iemand als Braams nogal gewaagd zo’n voorzichtige voorspelling te doen. Meestal was het onbeschaamd optimisme wat de klok sloeg. Zeker richting de financierende overheden. Maar ook 2030 gaat niet lukken, weten wij nu. Een jaartal dat nu vaak wordt genoemd is 2050. Het is de vraag of dat wel realistisch is.

Wat is het probleem? Bij de kernfusie die in fusiereactoren en kernwapens wordt toegepast, worden een deuteriumkern (waterstof met één neutron) en een tritiumkern (waterstof met twee neutronen) omgezet in een helium-4-kern, een neutron en een grote hoeveelheid energie (17,6 MeV). Per kilogram brandstof zou zo in theorie tien miljoen keer meer energie vrijkomen dan bij de verbranding van fossiele brandstoffen als kolen, olie of gas. De belofte is dat zodra de mens het kernfusieproces met deze twee waterstofisotopen op aarde onder de knie heeft, hij zonder veel grond- en afvalstoffen kan beschikken over eindeloos veel elektriciteit. Nu is elektriciteitsverbruik twintig procent van onze totale energieconsumptie, maar onder andere door de verdergaande elektrificatie van verwarming, transport en industrie zal in de komende decennia dat percentage aanzienlijk stijgen.

Kernfusie vindt plaats in sterren. Onze eigen ster, de zon, zet iedere seconde ongeveer 700 miljoen ton waterstof om in 695 miljoen ton helium waarbij het massaverlies van ongeveer 4,4 ton gelijk is aan de vrijgekomen bindingsenergie volgens de bekendste formule van Einstein: E=mc². E is energie, m is massa en c staat voor de lichtsnelheid van bijna 300.000 km per seconde. Dit fusieproces op een veilige afstand van 150 miljoen kilometer van de aarde zorgt voor onze energievoorziening, dus ons leven. Dat extreme proces van kernfusie op aarde nabootsen is een hele uitdaging. De techniek waaraan wordt gewerkt is het gebruikmaken van het Tokamak-type, dat een torus (donutvormig) reactorvat heeft. Het deuterium wordt tot 150 miljoen graden (tien keer heter dan de zon) verhit. Daardoor ontstaat er een plasma dat in de vacuüm gemaakte torus de wand niet mag raken en daarom in bedwang wordt gehouden met zeer sterke magnetische velden die worden opgewekt met supergeleidende magneetsystemen die tot vier graden boven het absolute nulpunt (-269°C) moeten worden gekoeld. Ga er maar aanstaan!

Het is een extreem moeilijke technologische uitdaging. In plasma zijn de positief geladen atoomkernen losgekoppeld van de negatief geladen vrije elektronen. In deze toestand is materie geen gas, vloeistof of vaste stof. Men noemt plasma wel de vierde aggregatietoestand. Er is veel geweld (energie) nodig om die positief geladen atoomkernen die elkaar door de elektrostatische kracht afstoten, in het plasma zo dicht tegen elkaar aan te drukken dat de sterke kernkracht de overhand krijgt en de kernen samensmelten. Ook is er veel energie nodig om het plasma gedurende enige tijd in bedwang te houden zodat de vrijkomende energie kan worden omgezet in warmte die stoom genereert die turbines aandrijven voor de elektriciteitsopwekking.

Het realiseren van dit fusieproces op aarde stelt gigantische eisen aan wetenschappelijke kennis en technologische kunde. Het is dan ook niet verwonderlijk dat het ontwikkelingsproces voortdurend gepaard gaat met grote onzekerheden, tegenslagen, vertragingen en kostenoverschrijdingen. Daarom zijn er internationale samenwerkingsverbanden gesmeed om deze zeer harde noot te kraken.

Eind jaren 70 van de vorige eeuw is in de buurt van Oxford in het Verenigd Koninkrijk de Joint European Torus (JET) gebouwd. Een proefreactor van het Tokamak-type. JET begon als project van de Europese Atoomgemeenschap (Euratom), maar is intussen uitgegroeid tot een breder internationaal consortium onder de naam Eurofusion met naast 25 EU-lidstaten ook onderzoekscentra uit het Verenigd Koninkrijk, Oekraïne en Zwitserland. Vorig jaar slaagde JET erin in een periode van vijf seconden een record hoeveelheid energie op te wekken, namelijk 59 megajoules. Dat betekent dat gedurende die vijf seconden er een vermogen was van ongeveer elf MW, bijna net zoveel als het vermogen van een zonneweide.

Het was van het begin aan af duidelijk dat er een opvolger moest komen voor de relatief kleine JET. In 1992 tekende de EG (voorloper van de EU), Verenigde Staten, Japan en Rusland het contract voor de ontwikkeling van de International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). De huidige partners in het ITER-project zijn naast de vier reeds genoemde: het Verenigd Koninkrijk, Zuid-Korea, China en India. Bovendien werkt ITER samen met Australië, Kazakhstan, Canada en Thailand. Het samenwerkingsverdrag werd ondertekend in 2006 en de bouw startte in 2013 in het Zuid-Franse Cadarache. Nadat het terrein bouwrijp was gemaakt en de gebouwen voor de reactor en alle andere spullen was neergezet, startte in 2020 het samenbouwen van de duizenden onderdelen van het gigantisch grote en ingewikkelde instrument. ITER is 24 meter hoog en heeft een doorsnede van 34 meter. De straal van de torus is ongeveer zes meter en de plasmakamer is zo’n acht meter hoog.

Bij de start waren de kosten geraamd op vijf miljard euro en dacht men in 2017 plasma te kunnen opwekken. Dat is niet gelukt. De teller staat nu op vijftien miljard euro en zal naar schatting oplopen tot vijftig miljard euro. Men verwacht pas in 2035 plasma te kunnen maken. Maar ook die verwachting lijkt al weer achterhaald. Steeds weer loopt men tegen problemen aan die niet voorzien waren en die veel tijd en geld kosten om op te lossen. Zo stond er eind vorig jaar in het ITER Newsline een artikel met de kop Key components to be repaired. Nadat men 2,5 jaar bezig was met het in elkaar zetten van de Tokamak, liep men aan tegen mankementen bij twee kritische onderdelen. Dat was een enorme tegenslag omdat de noodzakelijke reparaties en aanpassingen door ruimtegebrek niet ter plekke kunnen worden uitgevoerd en de drie enorme sectoren van het vacuümvat die in de afgelopen jaren waren opgebouwd, moeten worden gedemonteerd. De directeur-generaal van ITER Pietro Barabaschi zei daarover: “We must assume the problem is extensive. (...) We have no other solution but to remove it. (...) The consequences as far as schedule and cost are concerned, will be significant. (...) It is ITER’s nature and mission, as a unique and ambitious research structure, to go through a whole range of challenges and setbacks during construction.”

Deze onvoorziene en tijd en geld slurpende tegenslagen vormen een vast onderdeel in het kernfusieonderzoek. En niet alleen aan de technische kant. Ook aan wetenschappelijk kant doemen er zo nu en dan vervelende problemen op. In de nieuwsbrief van de opvolger van het Instituut voor Plasmafysica, het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) stond recent het artikel ‘Uitdaging: controlebundel in fusiereactor waaiert verder uit dan berekend’. Een Nederlands-Amerikaans onderzoeksteam heeft in januari dit jaar in Nuclear Fusion een artikel gepubliceerd over de ontdekking dat de bundel die de instabiliteit van het plasma in een kernfusiereactor de kop moet indrukken, twee tot drie keer zo breed wordt dan men tot nu toe heeft berekend. De onderzoekers vermoeden dat turbulentie aan de rand van het plasma de bundelverbreding veroorzaakt. “Nou en?”, zou je zeggen. Wel, er is niet zomaar extra energie beschikbaar om een sterkere controlebundel te maken. Als de ontdekking klopt, zal dat zeker effect hebben op de netto energieopbrengst.

Zulke tegenslagen van wetenschappelijke en technische aard hoeven geen reden te zijn om het bijltje erbij neer te gooien. Wel om realistisch te blijven en te erkennen dat er nog een lange en hobbelige weg zonder bekend eindpunt, te gaan is. Ook een goede reden om eerlijk te zijn over het feit dat kernfusie niet louter voordelen oplevert. Zo zal de binnenkant van de torus radioactief worden en dus leiden tot radioactief afval. Een ander ‘dingetje’ is dat tritium, dat samen met deuterium de brandstof vormt, in de natuur een zeldzaam element is. Daarom is er te weinig tritium voor kernfusie en moet het apart worden gekweekt door de lithium mantel van de torus met neutronen te bestoken. Of dat in een operationele omgeving mogelijk is, zal ITER nog moeten aantonen.

Het lijkt mij niet overbodig erop te wijzen dat als ITER in 2050 eindelijk in staat is gedurende enige tijd het plasma in de klauw te houden, er nog geen elektriciteit zal worden opgewekt en er nog niet is aangetoond dat er meer energie uitkomt dan erin wordt gestopt. ITER is immers een prototype dat moet laten zien dat de mens in staat is op flinke schaal het kernfusieproces te starten en te controleren. Als alles goed gaat, zal een ITER-achtige kernfusiereactor een vermogen van 500 MW leveren. Dat lijkt niet veel. Een conventionele kerncentrale op basis van kernsplitsing heeft een vermogen van 1.500 MW en een grote gascentrale van 1.750 MW. Een zonneweide heeft een vermogen van 12,5 MW en moderne windmolens minimaal 8 MW. Om aan te tonen dat er daadwerkelijk netto energie wordt geleverd zal ITER een demonstratiereactor moeten bouwen met een vele malen groter vermogen dan die van het huidige prototype.

En dan is er nog de discussie of de prijs van met kernfusie opgewekte elektriciteit straks concurrerend zal zijn met elektriciteit uit fossiele en duurzame bronnen. Deze discussie is door polarisatie verziekt. Het is blijkbaar moeilijk consensus te bereiken over een eenduidige manier om kilowattuurprijzen te berekenen zodat de uitkomsten kunnen worden vergeleken. De al dan niet opzettelijk gecreëerde onduidelijkheid ontstaat over welke kosten op welke wijze moeten worden meegenomen, zoals van transport, opslag, afvalverwerking en ontmanteling.
Maar los hiervan is het wel zonneklaar dat de kosten per megawattuur van kernfusie door complexere technologie voortdurend stijgen en die van duurzame bronnen door schaalvergroting en betere materialen voortdurend dalen. Een schatting van de megawattuurprijs (levelized cost of energy, LCEO) van kernfusiestroom is dat die straks rond de 100 euro (€ 0,10 per kilowattuur) zal liggen. Het gerenommeerde Duitse onderzoekscentrum Fraunhofer Institute schatte in 2021 dat de LCEO voor grootschalige zon- en windenergie in dat jaar respectievelijk 50 en 80 euro per megawattuur was. Voor wat het waard is. Want de onregelmatige levering van de elektriciteit door zonnepanelen en windmolenparken heeft zijn prijs in de vorm van het creëren en onderhouden van opslagcapaciteit en netverzwaring. Bovendien moeten ‘slim’ gemaakte elektriciteitsnetwerken de balanceer act van het beheer van variërend aanbod, opslag en afname kunnen uitvoeren.

Al met al is het maar zeer de vraag of in de tweede helft van deze eeuw het vanuit economisch oogpunt nog wel zin heeft kernfusie te gebruiken voor elektriciteitsopwekking. Ik weet het niet en aan prof. Braams kan ik het niet meer vragen. Die is in 2003 op 78 jarige leeftijd overleden. Ruim voordat hij de kans heeft gekregen de simulatie van de zon op aarde mee te maken.