Overtollige energie uit kernfusie: “Dit is de grote doorbraak”
Vattenfalls maandelijkse nieuwsbrief THE EDIT geeft je inzicht in de reis naar fossielvrij leven en gaat in op de klimaatuitdagingen van onze tijd. Dit artikel verscheen in THE EDIT, issue #6.
Energie uit kernfusie is voor energiewetenschappers lange tijd de belofte aan de horizon geweest. Na twee recente succesvolle experimenten in het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië is er nu - voor het eerst - een goede reden om aan te nemen dat fusie-energie op termijn op grote schaal werkelijkheid kan worden.
Op 5 december vorig jaar gebeurde er iets historisch. Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory voerden met succes een proces uit dat andere onderzoekers decennialang niet lukte. Voor het eerst werd een fusie van atoomkernen bereikt die meer energie produceerde dan de energie die nodig was om het proces te produceren.
Het team van Lawrence Livermore herhaalde de resultaten van het experiment met succes in een tweede test die op 30 juli van dit jaar werd uitgevoerd.
Constantin Häfner, hoofd van de commissie van deskundigen en het Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Aken, werkt al vele jaren met fusietechnologie en beschrijft het succes van de Lawrence Livermore-experimenten als "baanbrekend".
"Het team leverde voor het eerst echt wetenschappelijk bewijs van fusie-energie. Dit is nog nooit eerder gedaan in een laboratorium. Het laat zien dat de modellen en voorspellingen die de natuurkundigen ontwikkeld hebben, allemaal kloppen. Dit is de grote doorbraak."
Overtollige energie is het doel
In tegenstelling tot kernsplijting, de basis van de huidige kernenergie waarbij zware atoomkernen van uranium of plutonium gespleten worden, worstelden wetenschappers jarenlang met het creëren van een werkend fusieproces.
De uitdaging die uiteindelijk werd overwonnen in Lawrence Livermore was het opwekken van overtollige energie. De technologie en het proces van kernfusie bestaan al heel lang, omdat het samenvoegen (fuseren) van lichte atoomkernen, bijvoorbeeld die van waterstof, enorme hoeveelheden energie afgeeft.
Klinkt makkelijk genoeg, toch? Mis. Simpel gezegd, is fusie gebaseerd op hetzelfde proces dat in de zon - en andere soortgelijke sterren - plaatsvindt en het vereist dan ook extreme hitte en hoge druk. Om zo'n omgeving na te bootsen zijn bijvoorbeeld krachtige lasers gebruikt, die grote hoeveelheden energie vereisen en tot nu toe meestal meer energie gebruiken dan er bij fusie vrijkomt. In de experimenten bij Lawrence Livermore slaagden onderzoekers er uiteindelijk in om overtollige energie te produceren: bij de fusie kwam 3,15 megajoule vrij, terwijl de laser 2,0 megajoule nodig had.
Lichtere atoomkernen worden goedkoper
Een van de voordelen van kernfusie ten opzichte van kernsplijting is dat de gebruikte atomen lichter zijn en gemakkelijker verkrijgbaar: het is gemakkelijker om te werken met waterstof dan met uranium. Het proces van het fuseren van atoomkernen vereist weliswaar omstandigheden die moeilijk te creëren zijn, maar het zou ook goedkoper kunnen zijn dan kernsplijting in termen van veiligheidskosten.
"Fusie brengt minder risico's met zich mee, wat betekent dat de bijbehorende kosten lager zullen zijn", zegt Häfner.
"Er zal waarschijnlijk ook minder overheidsregulering nodig zijn. Een paar landen, zoals de Verenigde Staten, hebben hun regelgeving al aangepast aan het gegeven dat het fusieproces qua risiconiveau niet hetzelfde is als kernsplijting en daarom anders moet worden behandeld. Ik denk dat het daardoor makkelijker moet worden om industriële investeringen in fusietechnologie en elektriciteitscentrales aan te trekken. Maar dat is nog ver weg. Je kunt mijn antwoord beter beschouwen als een visie voor de toekomst dan als algemeen aanvaarde kennis. Het hangt allemaal af van de manier waarop we de regelgeving en licenties opzetten."
Fusie op grote schaal binnen 25-30 jaar
Als alles - financiering, wet- en regelgeving, technologie en techniek - op zijn plaats zou vallen, valt er een aanzienlijke winst te behalen. Fusie-energie zou in potentie het hele energiesysteem snel fossielvrij kunnen maken. Häfner gelooft dat het heel goed mogelijk is om de productie op te schalen en om echte fusiecentrales te maken, maar dit zal veel inspanning vergen.
"Er zijn drie belangrijke stappen voor het oogsten van energie en elektriciteit uit fusiecentrales. De eerste is wetenschappelijke winst, wat betekent dat je een plasma moet produceren dat meer energie oplevert dan de bereiding kost. Dan is er de technische winst, waarbij je rekening houdt met verlies in andere delen van het proces, zoals energieomzetting. Tot slot is er de economische winst, wat betekent dat je energie aan de markt moet kunnen verkopen tegen een concurrerende prijs in vergelijking met andere energiebronnen.”
De weg naar een proces met het wetenschappelijke energie-evenwicht dat vorig jaar december en opnieuw in juli dit jaar werd bereikt, was lang en vol mislukkingen. Maar Häfner is nu des te positiever over de mogelijke tijdlijn van fusie op grotere schaal. In het beste geval zou dit volgens hem al binnen 25-30 jaar kunnen gebeuren.
"Dit is een kwestie van investering en beschikbaarheid van talent. Ik denk dat er een innovatiesysteem voor fusie-energie nodig is. Als regeringen zich daarvoor inzetten, het benodigde regelgevende kader bieden en nieuwe technologieën stimuleren, kunnen we daar - in combinatie met langetermijnfinanciering - relatief snel komen. We hebben misschien tien tot vijftien jaar technologische ontwikkeling nodig en nog eens evenveel tijd om een eerste fusiecentrale te maken en uit te proberen."
Kernsplijting en kernfusie
Kernenergie is gebaseerd op kernsplijting, waarbij grote hoeveelheden energie vrijkomen door onder gecontroleerde omstandigheden atoomkernen te splijten met neutronen. Sinds de eerste kerncentrale ter wereld in de jaren vijftig van de vorige eeuw in gebruik werd genomen, is kernsplijting de dominante methode om energie te winnen uit atoomkernen.
Het tegenovergestelde van kernsplijting - kernfusie - blijkt echter aanzienlijk moeilijker onder de knie te krijgen.
Kernfusie is gebaseerd op nabootsing van het proces in de kern van de zon - en andere sterren - waarbij atomen samensmelten en enorme hoeveelheden energie vrijkomen.
Een belangrijk verschil tussen kernsplijting en kernfusie is dat voor kernsplijting zwaardere atoomkernen nodig zijn (zoals uranium en plutonium), terwijl kernfusie mogelijk is met lichtere en ruimer beschikbare atoomkernen zoals waterstof. Om deze kernen te kunnen verbinden, zijn echter zeer speciale omstandigheden nodig: zowel extreme temperaturen als hoge druk, twee factoren waar op zichzelf al veel energie voor nodig is. Fusieprojecten hebben tot nu toe negatieve resultaten opgeleverd, dat wil zeggen dat het proces zelf meer energie kostte dan de hoeveelheid energie die de fusie vervolgens opleverde.
Foto: AdobeStock
Schrijf je in voor onze nieuwsbrief THE EDIT
THE EDIT is de nieuwe maandelijkse nieuwsbrief van Vattenfall. Elk nummer belicht de wereld van duurzame energie en fossielvrij leven.
Bekijk ook
Zijn vleermuizen en windturbines een levensvatbare combinatie op zee?
Inzicht in het grote geheel over de bewegingen van vleermuizen boven zee is belangrijke achtergrondkennis. Hierdoor kunnen exploitanten van windparken het risico op botsingen tussen windmole...
De toekomst van vliegverkeer: hoe wordt de luchtvaart fossielvrij?
De menselijke drang om de verre uithoeken van de wereld te verkennen is zo oud als de tijd zelf, maar onze reislust gaat ten koste van het milieu. Van elektrische vliegtuigen tot biobrandsto...
Drones maken het werk veiliger en efficiënter
De ontwikkeling van drones heeft grote vooruitgang geboekt. In Zweden wordt een complete waterkrachtcentrale in kaart gebracht om een perfecte digitale kopie te maken.