Een kleinere aanpak van kernfusie kan binnen 10 jaar tot schone energie leiden

Kernfusie is de energiebron van de zon en sterren én op dit moment is er een wereldwijde wetenschappelijke missie gaande om het als schone, duurzame energiebron te gebruiken.

De internationale wetenschappelijke gemeenschap in Europa heeft al een grote kernfusiereactor opgericht in het Verenigd Koninkrijk: de Joint European Torus (JET). Daarnaast wordt er op het moment gebouwd aan een twee in Frankrijk: de International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER).

Er is echter een groep Britse wetenschappers die denken dat ze de sleutel tot het succes hebben gevonden. Ze willen bolvormige reactoren combineren met hoge-temperatuur supergeleiders om zo de ontwikkeling van energie uit fusie te bespoedigen. De eerste prototypes hebben een diameter van 1,2 meter en de volgende zal 3 meter hoog worden met een diameter van 2,5 meter.

"Iedereen denkt dat je op grote schaal moet werken om fusie energie te produceren. Wij proberen het met deze hoge-temperatuur supergeleiders," vertelt David Kingham, natuurkundige en CEO van Tokamak Energy me. "In plaats van een grotere reactor werken we met een sterker magnetisch veld dat ervoor zorgt dat we het plasma beter kunnen controleren."

Tokamak Energy is een kernfusiestartup met het doel binnen een decennium veilige, overvloedige en CO2-vrije energie te produceren. Als dat lukt, zeggen ze, kan energie uit kernfusie de wereld veranderen. "Een kilogram fusiebrandstof creëert evenveel energie als 10 miljoen kilogram fossiele brandstof," vertelt Melanie Windridge, natuurkundige en projectontwikkelaar bij Tokamak me.

Voor de leek: fusie wordt uitgevoerd door kleine isotopen van waterstofdeeltjes tegen elkaar te drukken bij temperaturen van meer dan 100 miljoen graden om grotere helium atomen te maken. Dat proces wordt uitgevoerd in "tokamaks", donut-achtige machines die magnetische velden gebruiken om het plasma, het geladen gas dat ontstaat als grotere deeltjes vormen, te controleren.

"De tokamak is als een magnetisch flesje. Op de zon wordt het plasma op zijn plek gehouden door de zwaartekracht van de zon. Maar als we kernfusie willen uitvoeren op aarde moeten we een andere manier gebruiken om het plasma op hoge temperatuur en druk te houden. Een magnetisch veld is daar erg geschikt voor," zegt Kingham. "Je kan alleen geen vaste stoffen gebruiken omdat het plasma 100 miljoen graden is. Het zou alles smelten wat ermee in aanraking komt."

Kingham legt uit dat de eerste supergeleiders werden gemaakt van lage-temperatuur supergeleiders. "Deze werken door gekoeld te worden met vloeibaar helium, tot 4 Kelvin, dat is dus vier graden boven het absolute nulpunt."

Maar deze eerste generatie supergeleiders werkten niet goed in hoge magnetische velden. Maar de hoge-temperatuur supergeleiders die nu worden gebruikt door Tokamak Energy kunnen temperaturen van 20-30 Kelvin en magnetische velden van 20-30 Tesla weerstaan. Om de benodigde omstandigheden voor fusie te creëren zijn die grote magnetische velden nodig om het plasma in een klein volume te houden.

"We willen eerst een heel hoog energieveld maken met dit materiaal. Vervolgens willen we niet zo veel energie gebruiken om de magneten te koelen, dus we willen zo'n hoog mogelijke temperatuur waarop ze net nog supergeleidend blijven. Dan verspillen we zo min mogelijk energie," legt Kingham uit.

De internationale wetenschappelijke gemeenschap pompt op dit moment 14 miljard euro in de ITER-tokamak in het zuiden van Frankrijk. Kingham geeft toe dat de ITER erg waardevol kan zijn, maar benadrukt dat het belangrijk is om kleinere alternatieven te overwegen. Zo kan vooral de ontwikkeling van fusie energie versneld worden.

"Investeerders hoeven dan niet zo veel te gokken. Het gaat om iets kleinere bedragen. Onze boodschap hier is simpel. We beginnen klein, als er iets misgaat maken we een nieuwe en dan maken we die beter," zegt Colin Windsor, natuurkundige en consultant bij het bedrijf.

In tegenstelling tot het miljardenplan van ITER verwacht Kingham dat het tienjarenplan van Tokamak om effectief elektriciteit uit kernfusie te krijgen ongeveer 500 miljoen euro gaat kosten. Maar misschien is dat te ambitieus. "We hopen op tien jaar, maar niemand weet waar we tegenaan gaan lopen. Het kan makkelijker of moeilijker worden," zegt Windsor.

Het onderzoek naar kernfusie begon in de vijftiger jaren en is moeizaam verlopen. De wetenschappers bij Tokamak verwachten echter dat als dit lukt, ze snel naar een grotere schaal kunnen gaan. "De elektriciteit die wordt geproduceerd veroorzaakt geen koolstofemissies, het systeem kan niet ontploffen à la Chernobyl omdat er geen brandstof in zit en er is ook geen kans op een ramp zoals Fukushima omdat er geen hitteverliezen naderhand zijn," zegt Windsor.

"Je zou het kunnen zien als het bouwen van een vliegtuig. Wij bouwen er een zoals de Wright Brothers, die echt alleen moet kunnen opstijgen, terwijl ze bij ITER een jumbo jet proberen te bouwen," zegt Kingham. "Als die kan vliegen is het geweldig, maar het ding is een stuk moeilijker op te bouwen uit het niets."