Uw profiel is aangemaakt

U heeft een e-mail ontvangen met een activatielink. Vergeet niet binnen 24 uur uw profiel te activeren. Veel leesplezier!

DE DROOM VAN EEN DOUGHNUT KERNFUSIE

Home

SYBE RISPENS

Afgelopen vrijdag werd in Duitsland het sein op groen gezet voor de bouw van een proefcentrale voor fundamenteel onderzoek naar kernfusie. De nieuwe reactor aan de Oostzee moet het pad effenen voor een groot internationaal kernfusieproject. Maar of het ooit nog wat wordt met de stroom uit versmeltende atoomkernen is de vraag: de wetenschappelijke, technische en politieke problemen rond de ontsteking van een aards zonnevuur stapelen zich op.

De droom werd samen met een nachtmerrie geboren. De ontploffing van de eerste Amerikaanse waterstofbom op een atol in de Atlantische Oceaan in 1952 bracht in een klap zowel de angst voor de vernietigende energie van samensmeltende waterstofkernen, als de hoop deze energie ooit in bruikbare elektriciteit om te zetten. De speurtocht naar gecontroleerde kernfusie begon.

De zoektocht bracht in de eerste twintig jaar vooral in de theorie vooruitgang; de praktijk viel tegen. Pas in het begin van de jaren tachtig besloten veertien Europese landen, waaronder Nederland, gezamenlijk de schouders te zetten onder de bouw van een kernfusiereactor: de JET, de Joint European torus. Deze reactor in Culham moest vooral de praktische haalbaarheid van energieopwekking uit kernfusie aantonen. Zodra dat was gebeurd, zou het een kwestie worden van van zoveel mogelijk energie uit de samensmeltende atoomkernen zien te halen.

De grootste fusiereactor staat nu in het Amerikaanse Princeton en plannen voor nog grotere zijn in de maak: dit jaar moet bekend worden waar de Internationale thermonucleaire experimentele reactor (ITER), gefinancierd door de Europese unie, de Verenigde Staten, Canada, Japan, Rusland en Zwitserland, komt te staan. In het dan volgende project, 'DEMO' (Demonstration reactor), staat een modelcentrale op het programma die voor commerciële opwekking van stroom zal moeten zorgen.

Het ideaal van gecontroleerde kernfusie voor het opwekken van stroom houdt de atoomfysica al vier decennia lang in zijn greep, en dat is niet zonder reden. Het versmelten van twee lichte atoomkernen tot een nieuwe, iets zwaardere en stabiele kern levert veel meer energie op dan het splitsen van veel zwaardere atomen, zoals dat nu in kerncentrales gebeurt. Ook is de voorraad geschikte atomen voor zo'n fusiereactie vrijwel onbeperkt: uitgaande van het huidige wereldwijde energieverbruik is de hoeveelheid deuterium in het oceanaanwater genoeg voor de energievoorziening in de komende honderd miljard jaar. Daarbij komt nog eens dat een kernfusiecentrale, op papier tenminste, een oplossing biedt voor het probleem waar de atoomindustrie tot dusverre geen raad mee wist: het ontstaan van radioactief afval. En alsof dit nog niet genoeg is: een centrale die volgens het kernfusieprincipe zou werken is 'inherent veilig' - de fusiereactie is zo gevoelig voor onderbrekingen dat ze automatisch stopt als er iets mis gaat. Een ongeluk zoals dat tien jaar geleden in de kerncentrale van Tsjernobyl gebeurde, is in zo'n reactor dus uitgesloten.

Dit alles maakt kernfusie een heel aanlokkelijk alternatief voor kernsplijting. Of toch niet? Wat in het visioen van de onuitputtelijke en schone energiebron van de volgende eeuw verborgen blijft, zijn de vele theoretische en praktische problemen. De moeilijkheden zijn zelfs zo groot dat de internationale politieke steun voor kernfusie-onderzoek begint af te nemen.

Wie op onze planeet een zonnevuur wil ontsteken, moet het stellen zonder de zwaartekracht zoals die heerst in het binnenste van de zon. De brandstof voor een fusiereactor wordt verhit waardoor de atomen van deuterium en tritium ioniseren: ze raken hun elektronen kwijt, de resterende kernen zijn elektrisch geladen. Er ontstaat een plasma, een heet, gasvormig mengsel van positief geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen. De bewegende kernen en elektronen hebben de neiging alle kanten op te vliegen. In het binnenste van de zon houdt de zwaartekracht ze bij elkaar, in een fusiereactor gebruikt men sterke magneetvelden die het mogelijk maken de richting van de geladen deeltjes te sturen. Door een juiste keuze van de velden raken ze opgesloten.

De kunst is vervolgens om dit opgesloten plasma tot een voldoende hoge temperatuur te brengen. De geïoniseerde deuterium- en tritiumatomen stoten elkaar door hun positieve elektrische lading af. Pas bij zeer hoge snelheden - lees: temperaturen - zullen ze die onderlinge weerstand overwinnen. Van belang is ook de druk: hoe hoger die is - hoe dichter daardoor de atoomkernen op elkaar zitten -, hoe lager de voor de versmelting van de kernen benodigde temperatuur zal zijn. In het binnenste van de zon is de druk zo groot, dat de reactie op gang komt bij vijftien miljoen graden Celsius. In een reactor op aarde zijn zonnedrukken niet te realiseren. Daarom is een temperatuur van minstens honderd miljoen graden vereist.

De fusiereactoren in Culham en Princeton werken volgens het zogeheten tokamak-prinipe. Dit tot nu toe meest succesvolle principe voor het magnetisch opsluiten van een plasma werd aan het begin van de jaren '50 door de Russen Andrei Sacharov en Igor Tamm bedacht. Dat het idee uit Rusland komt is niet toevallig. Russische kernfysici vonden onafhankelijk van de Amerikanen kort na de oorlog een manier om de waterstofbom te maken. In zo'n bom realiseert men de voor de fusie van de waterstofkernen vereiste druk en temperatuur door een 'gewone' atoombom, een kernsplijtingsbom als ontsteking te gebruiken. Eerder nog dan de Amerikanen kwamen de Russen op het idee dat het mogelijk moest zijn om van de vrijkomende energie in een gecontroleerde fusiereactie elektriciteit te maken.

De verbrandingskamer van de Tokamak lijkt nog het meest op een gigantische doughnut. Magneetspoelen die op vaste afstanden om de kamer zijn gewikkeld, drukken het plasma ineen, zorgen ervoor dat het niet tegen de wanden aankomt: het zweeft als een soort stralende krans in de ringvormige kamer. Met een grote magneetspoel die plat op de verbrandingskamer ligt, krijgen de vrije, negatief geladen elektronen in het plasma allemaal een duw in één bepaalde richting. De rondsuizende deeltjes botsen tegen positief geladen deuterium- en tritiumkernen, die de andere kant op 'draaien', waardoor de temperatuur omhoog gaat. Maar de extreem hoge temperaturen die nodig zijn voor de versmelting van die kernen komen pas in zicht als men het plasma bijvoorbeeld beschiet met neutronen. Een andere mogelijkheid voor de 'ontsteking' is het injecteren van sterk versnelde deuterium of tritium-atomen.

Met de laatste soort deeltjesinjecties lukte het in de proefcentrale van Culham om gedurende twee seconden een vermogen van twee miljoen Watt op te wekken. Maar om dat voor elkaar te krijgen had de centrale wel eerst zeventien miljoen Watt opgeslokt. Het break-even point, de toestand waarbij de reactor net zoveel energie opwekt als voor zijn functioneren nodig is, wordt al sinds de jaren '70 regelmatig aangekondigd maar is nog steeds niet gehaald. Een van de redenen daarvoor is dat een plasma zich onder hoge druk veel grilliger gedraagt dan men op grond van de berekeningen had verwacht. Achtergebleven luchtdeeltjes in de vacuümgezogen verbrandingskamer zorgen voor nogal wat hinder. Ook leveren minieme variaties in de sterkte van de magnetische velden microscopisch kleine turbulenties op, waardoor plasmadeeltjes weglekken.

Afgelopen vrijdag werd in Duitsland het sein op groen gezet voor de bouw van een proefcentrale voor fundamenteel onderzoek naar kernfusie. Deze Wendelstein 7-X fusiereactor die in Greifswald, een stadje in het noorden van het voormalige Oostduitsland, wordt neergezet - overigens precies op het terrein waar in 1990 vijf conventionele Russische atoomcentrales uit veiligheidsoverwegingen werden stilgelegd -, moet de variaties in de magnetisch velden terugbrengen en andere fundamentele moeilijkheden omzeilen. Om dat voor elkaar te krijgen, hebben wetenschappers van het in München gevestigde Max-Planck-institut für plasmaphysik de verbrandingskamer nog eens met extra, supergeleidende spoelen omwikkeld. Tot nu toe zijn er over dit principe nog maar weinig experimentele gegevens bekend: omdat de ingewikkelde vorm van de spoelen alleen met krachtige computers zijn te berekenen.

Het is de vraag of de rekenkracht van computers de hele waslijst met moeilijkheden rond de stralende krans de wereld uit kan helpen. Het meest fundamenteel is het probleem dat de neutronen in het plasma - de bij de fusiereactie vrijkomende neutronen en de deeltjes die in de verbrandingskamer worden geschoten - niet in bedwang zijn te houden. De neutronenstralen boren zich dwars door de muur van de verbrandingskamer heen en moeten in een aparte omhullingslaag, de 'deken', worden opgevangen om te voorkomen dat ze de magneetspoelen vernielen. Door dit neutronenbombardement zijn de verbrandingskamer en de meterdikke deken na twee tot zes jaar poreus en radioactief. Beide zijn dan aan vervanging toe - de gebruikte hoogwaardige en deels schaarse materialen moeten als radioactief afval worden beschouwd. De jaarlijkse productie van hoog- en middelradioactief afval van een kernfusiecentrale zal ten opzichte van de afvalproductie van een gewone kerncentrale in de praktijk dan ook ongeveer verdubbelen. Wel neemt de straling van het hoogradioactief afval sneller af: ze halveert in ongeveer honderd jaar, duizend keer sneller als het afval van kernsplijtingcentrales.

Een mogelijke oplossing voor het neutronenbombardement is een andere brandstofsamenstelling. In plaats van deuterium en tritium zou men een isotoop van helium als brandstof kunnen gebruiken. Bij de dan optredende fusiereactie komen veel minder neutronen vrij, waardoor de totale neutronenuitstoot veel kleiner wordt. Maar dit geeft weer het probleem dat het bewuste isotoop bijna niet op aarde voorkomt. Dat kernfysici zich voor geen gat laten vangen bewijst het meinummer van het vaktijdschrift Fusion technology: op de maan, zo wordt voorgerekend, is de voorraad van het heliumisotoop genoeg voor de wereldwijde energieverzorging voor de komende tweeduizend jaar. En met de gigantische reserves van Jupiter kunnen we nog duizenden miljarden jaren vooruit.

Een probleem wat ook met de fusie van het heliumisotoop niet zal zijn verholpen is dat in dit geval het hoogradioactieve tritium niet wordt verbruikt maar als restproduct ontstaat: afval.

VERVOLG OP PAGINA 16

De droom ... VERVOLG VAN PAGINA 15

Er blijven nog meer vraagstukken onopgelost. Onduidelijk is bijvoorbeeld of de fusiereactor wel altijd voor vreedzame doelen zal worden gebruikt. Iets wat in dit verband zorgen baart is dat militairen zeer geïnteresseerd zijn in een bepaald type fusiereactor, waarbij het plasma niet zoals in de Tokamak door deeltjesinjectie wordt ontstoken, maar waarbij diepgevroren waterstof- of deuterium/tritium-pakketjes door een sterke röntgen- of laserstraal worden gedwongen te imploderen, waarna versmelting van de atoomkernen plaatsvindt. Ook als kernproeven wereldwijd worden verboden, kunnen in zo'n fusiereactor nieuwe atoomwapens worden ontworpen en getest. Het plutonium voor die wapens laat zich met een fusiereactor trouwens ook tien tot twintig keer sneller maken dan met een splijtingreactor.

Voorop staat natuurlijk de voortdurende onzekerheid over wanneer de fusiereactor meer energie zal opwekken dan hij verbruikt. Aan een oplossing van de acute energieproblemen en het terugdringen van de uitstoot van broeikasgassen zal de kernfusie de eerste vijftig jaar in elk geval niets bijdragen. Op zijn vroegst, menen de kernfysici zelf, zijn resultaten in de tweede helft van de volgend eeuw te verwachten. Daarbij moet dan worden gezegd dat de woordvoerders van de kernfusie al sinds de jaren '50 verkondigen dat de resultaten nog een halve eeuw op zich zullen laten wachten, mits er voldoende geld voor onderzoek vrijkomt.

Deze wait-till-next-decennium-boodschap, wacht nog tien jaar op de definitieve doorbraak, begint zo langzamerhand minder goed in politieke aarde te vallen. Zo werd het Amerikaanse programma voor kernfusie - met uitzondering van het militaire onderzoek - dit jaar opnieuw flink gesnoeid. De subsidie werd met een derde verminderd, iets waardoor bijvoorbeeld het plasmafysisch onderzoekscentrum in Princeton volgend jaar de fusiecentrale stil moet leggen.

Ook in Europa begint de twijfel over de vorderingen van het kernfusie-onderzoek zich in financiële keuzes te vertalen. Weliswaar is het JET-onderzoeksprogramma voor de fusiecentrale in Culham aan het begin van deze maand weer met drie jaar verlengd, maar de toekomst van het internationale vervolgproject is onzeker. De bouw van de vijftien miljard kostende ITER-centrale kwam een half jaar geleden op de helling te staan. Acht van de vijftien deelnemende Europese landen zetten op Nederlands initiatief vraagtekens bij de technische, milieu-politieke en financiële kanten van het project. Duitsland houdt echter vast aan het project en schuift Greifswald zelfs naar voren als de meest geschikte plek voor de nieuwe ITER-centrale.

Voorlopig is het echter afwachten of die er überhaupt nog wel komt. De acht kritische landen willen kernfusie opnieuw grondig met andere vormen van energieopwekking vergelijken. In die vergelijking zou het fundamenteel onderzoek naar de stroomwinning uit een kunstmatige zon er wel eens een stuk slechter vanaf kunnen komen dan de al wel bewezen technieken voor het opwekken van stroom uit de echte.



Het e-mailadres bij dit profiel is nog niet bevestigd. Een link om te bevestigen kunt u vinden in uw inbox.
Bent u de link kwijt? Vraag hier een nieuwe aan.

Wachtwoord is niet correct

tonen

Wachtwoord komt niet overeen

tonen

U moet akkoord gaan met de gebruiksvoorwaarden


Deel dit artikel

Advertentie