De graal van de energiesector

Kernfusie breekt eindelijk met haar status van eeuwige belofte. Tegen 2019 zal de eerste fusie van atomen plaatsvinden in Frankrijk, maar elektriciteit via kernfusie wordt pas tegen 2050 voorzien. Is de hernieuwbare energiebron een opportuniteit voor beleggers?

In november 2019 zal ITER, de eerste fusie van atomen in de experimentele reactor van Cadarache (Frankrijk), plaatsvinden. Dat staat in het strategisch plan dat de zeven partners van het project – de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, Japan, China, India en Zuid-Korea – eind juli goedkeurden. Ondertussen is de kostprijs van het internationale project al verdubbeld tot 7,2 miljard euro. De milieuvriendelijke kernfusie breekt met haar status van eeuwige belofte.

Heleen Van Hoof, Green Consultant van Econopolis: “Aan het huidige consumptieniveau zullen de gekende olievoorraden binnen 40 jaar opgebruikt zijn. Ook gas en steenkool zijn geen hernieuwbare bronnen. Daarnaast gaat de klassieke energieopwekking gepaard met de uitstoot van broeikasgassen en andere schadelijke stoffen. Voor kernenergie is dat in veel mindere mate een probleem, al spelen daar dan weer factoren als veiligheid en de verwerking van radioactief afval. Doordat de grondstoffen voor energieproductie uitgeput raken, zal technische kennis belangrijker worden. Hernieuwbare energie is in opkomst, maar het aandeel in de wereldwijde energieproductie is nog beperkt. De heilige graal voor de energieproblemen is echter kernfusie, een bijna onuitputbare vorm van energie, waar wetenschappers al decennia lang naar op zoek zijn.”

CASH. Wat is het verschil tussen de huidige manier van kernenergie opwekken en kernfusie?

VAN HOOF. Atomen met een massa gelijk aan die van het element ijzer, zijn energetisch gezien het meest stabiel. Omdat de natuur streeft naar evenwicht, hebben lichtere atoomkernen de neiging om te fuseren, terwijl zwaardere atoomkernen willen splijten. Kernenergie is de energie die vrijkomt bij dat samensmelten of splijten. Kernsplitsing van radioactieve uraniumatomen is het basisproces van onze huidige kerncentrales. De energie die daarbij vrijkomt in de vorm van warmte, wordt omgezet in elektriciteit. De investeringskost voor zo’n kerncentrale is hoog, maar als ze eenmaal afgeschreven is, levert de centrale een goedkope, CO2-vrije vorm van energie. Daartegenover staat dat bezorgdheid om de veiligheid en het radioactieve afval ervoor zorgen dat er niet altijd een maatschappelijk draagvlak is voor de bouw van nieuwe centrales. Kernfusie is het tegenovergestelde proces, namelijk het samensmelten van twee lichtere kernen. Er is energie nodig om het proces in gang te zetten, om de afstotingskrachten tussen de twee atoomkernen te kunnen overwinnen. Tijdens het proces zelf komt er een grote hoeveelheid energie vrij. Kernfusie is een essentieel onderdeel van het bestaan: het is het proces dat de zon en andere sterren brandende houdt.

Hoe kan kernfusie op aarde gerealiseerd worden?

VAN HOOF. Kernfusie vindt voortdurend plaats in de ons omringende sterren. Toch is het niet eenvoudig dat proces na te bootsen op aarde. De omstandigheden qua druk, temperatuur en inwerkende krachten verschillen hier immers sterk. Er zijn twee belangrijke technieken om kernfusie te realiseren. De meest toegepaste is magnetische insluiting. In een donutvorm wordt een sterk magnetisch veld ge-creëerd, waarin waterstofplasma wordt vastgehouden. Zo’n installatie wordt een tokamak genoemd. In dat plasma kan, op een temperatuur van 100 tot 200 miljoen graden Celsius, een fusie tussen de waterstofatomen plaatsvinden. Daarbij wordt helium gevormd en komt er een grote hoeveelheid energie vrij. De reactie die met de huidige technologie het meest haalbaar is, is de reactie tussen deuterium en tritium, twee isotopen van waterstof. De tweede methode is inertiële insluiting. Daarbij wordt een zeer sterke laser gebruikt, die zo gericht wordt dat hij een brandstofkogeltje van enkele millimeters groot doet ontbranden. De brandstof zelf is opnieuw een mengsel van de waterstofisotopen deuterium en tritium. Een essentieel verschil met de andere techniek is dat het hierbij niet nodig is naar extreem hoge temperaturen te streven.

Is er voldoende brandstof beschikbaar voor een proces dat zoveel energie kan produceren?

VAN HOOF. De waterstofisotopen deuterium en tritium zijn de belangrijkste brandstof voor kernfusie. Met één kilogram van zo’n mengsel kan evenveel energie ge-creëerd worden als met 11 miljoen kilogram steenkool. Deuterium komt in grote hoeveelheden voor in zeewater, namelijk 30 milligram per liter. Aangezien zeewater overvloedig aanwezig is op aarde, is de voorraad deuterium bijna onuitputtelijk. Tritium bestaat niet in de natuur, maar kan geproduceerd worden uit lithium. Lithium kan net als deuterium gewonnen worden uit zeewater en is in grote hoeveelheden terug te vinden in de aardkorst. Toch is de hoeveelheid lithium niet oneindig. Daarnaast wordt verwacht dat de vraag naar lithium in de toekomst snel zal stijgen, aangezien het een basiselement is van de batterij van een elektrische wagen. Volgens de Europese Commissie is er 100 kilogram deuterium en 3 ton natuurlijk lithium nodig om een fusiecentrale van 1 gigawatt (een vermogen zoals dat van de grootste reactor van de kerncentrale van Doel) een jaar lang elektriciteit te laten produceren.

Waarom is er zo’n groot enthousiasme voor kernfusie?

VAN HOOF. Er zijn verschillende voordelen verbonden aan kernfusie. In tegenstelling tot de kernsplijting in onze kerncentrales levert kernfusie geen hoogradioactieve afvalproducten. Het materiaal van de reactor zelf is wel licht radioactief, en moet nadien behandeld worden. Ook tritium, dat gebruikt wordt als brandstof, is licht radioactief. Toch is het probleem rond veiligheid en radioactief afval veel kleiner dan in een conventionele kerncentrale. In de Verenigde Staten is het dan ook perfect legaal om zelf een kernfusiereactor te bouwen. Kernfusie is bovendien een propere vorm van energie: er komen geen broeikasgassen of andere schadelijke gassen vrij. Daarnaast zijn de grondstoffen die nodig zijn voor kernfusie in zeer grote hoeveelheden aanwezig op aarde. Eén kilogram fusiebrandstof levert ook veel meer energie dan fossiele brandstoffen zoals olie en steenkool. Dat alles maakt dat kernfusie gezien kan worden als een eerder duurzame vorm van energie met een enorm potentieel. Waar nu ook al over gesproken wordt, zijn kernfusiereacties tussen deuteriumatomen waar geen tritium aan te pas komt. Dat kan in één klap het probleem oplossen rond de relatief beperkte tritiumvoorraad (uit lithium) en rond het radioactieve karakter van tritium. Om dat te verwezenlijken, zijn er echter nog hogere temperaturen nodig.

Waarom zijn er nog geen kernfusiecentrales?

VAN HOOF. Ondanks het feit dat kernfusie al gekend is sinds 1920, er al meer dan 50 jaar onderzoek is gebeurd en er verschillende projecten zijn opgestart, zijn de problemen errond nog lang niet opgelost. Het is dan ook geen eenvoudig proces, met immense wetenschappelijke en technische uitdagingen. Zo moet er een temperatuur bereikt worden van meer dan 100 miljoen graden Celsius, en moeten de gebruikte materialen daartegen bestand zijn. De kostprijs van een kernfusiereactor is ook immens, waardoor internationale samenwerking noodzakelijk is. Het grootste probleem is echter dat tot nu toe de reactie tijdens het onderzoek steeds meer energie nodig heeft dan er opgewekt wordt.

Hoe staat het met het onderzoek?

VAN HOOF. Er bestaan al verschillende kernfusieprojecten, als individueel initiatief van landen of als samenwerkingsproject. Zo is JET (Joint European Torus), de grootste torus ter wereld, in staat geweest om 16 megawatt fusievermogen te creëren. De uitdaging is nu dat op grote schaal uit te voeren. Het volgende grote project dat op komst is, is het International Thermonuclear fusion Experimental Reactor project, kortweg ITER, wat ‘weg’ betekent in het Latijn. Het is een samenwerkingsverband tussen de Europese Unie, de Verenigde Staten, China, Japan, Zuid-Korea, Rusland en India. Het doel van ITER is een vermogen van 500 megawatt te realiseren (gedurende minstens 400 seconden), waarbij de energie die nodig is om de reactie in gang te zetten, tien keer kleiner is. ITER heeft al veel meegemaakt sinds de eerste gesprekken in 1985. Er werd onderzoek gevoerd naar het design en de kostprijs, er werden discussies gevoerd over de locatie en de kostenverdeling en er waren landen die het project verlieten of vervoegden. Nu is de kogel door de kerk: de reactor wordt gebouwd in Cadarache, in Zuid-Frankrijk. Een groot probleem is de verwachte kostprijs, die over de jaren heen is blijven stijgen, tot 16 miljard euro. Vooral voor Europa was dat een zware klap, met een verdubbeling van de Europese bijdrage tot 7,2 miljard euro. Hoe dan ook zijn de resultaten nog niet voor direct. De experimenten met deuterium en tritium zullen niet van start gaan voor 2026. Er is dus nog een zeer lange ‘weg’ te gaan.

Wat zijn de verwachtingen voor de toekomst?

VAN HOOF. “Kernfusie is 30 jaar van ons verwijderd en zal het altijd blijven”, is een uitspraak die vaak wordt gehoord en al lang meegaat. Het onderzoek is bezig, en er wordt vooruitgang geboekt. De vraag is echter of en wanneer er echt een doorbraak komt. Als dat ooit gebeurt, zal het energielandschap er totaal anders uitzien, met een nieuwe grote speler. Kernfusie zal nooit voor de hele wereldproductie van elektriciteit kunnen instaan, ook andere vormen van energie zullen blijven bestaan, met een grote rol voor hernieuwbare energie. (C)

Door Eric Pompen

“Kernfusie zal nooit voor de hele wereldproductie van elektriciteit kunnen instaan.” Heleen Van Hoof, Econopolis