Kernfusie is het vriendelijke broertje van kernsplitsing

Kernfusie probeert zijn status als eeuwige belofte van zich af te schudden. Maar heeft de technologie wel een plaats in het energiesysteem van de toekomst? “Veel bedrijven ontwikkelen interessante technologie, maar de stap naar een werkende reactor is nog groot.”

Huist de toekomst van ons energiesysteem in het Californische Foothill Ranch? In dat stadje tussen Los Angeles en San Diego staat TAE Technologies. Het bedrijf maakte begin april bekend dat het 280 miljoen dollar heeft opgehaald. Dat brengt het op 880 miljoen dollar. Het doel: tegen 2030 een kernfusiereactor ontwikkelen die stroom kan leveren.

Het zou een doorbraak zijn voor die technologie, die al jaren het imago van eeuwige belofte heeft. Vijftig jaar geleden werd voorspeld dat er dertig jaar later een eerste kernfusiereactor zou zijn. Nu schat Vincent Massaut, de adjunct-directeur businessdevelopment en support bij het nucleaire onderzoekscentrum SCK CEN, dat met die technologie binnen dertig jaar voor het eerst elektriciteit wordt geproduceerd. “Ik ben optimistisch. De onderzoeksreactor ITER in Frankrijk zit op het goede spoor, er is geld beschikbaar. Tegen 2045 is een commerciële kernfusiereactor mogelijk.”

Dat is vijftien jaar nadat TAE zijn reactor operationeel hoopt te hebben, maar Massaut houdt liever de voeten op de grond. “Ik ken TAE niet, maar ik heb al veel beloftes gezien. Er zijn bedrijven bezig, onder meer in Canada en het Verenigd Koninkrijk. Ze ontwikkelen interessante technologie, maar de stap naar een werkende reactor is nog groot.”

Kernfusie is het vriendelijke broertje van kernsplitsing, de technologie die in de bestaande nucleaire reactoren wordt toegepast. De meest gangbare aanpak van kernfusie, met plasma van deuterium en tritium, kan niet worden gebruikt voor militaire doeleinden. Er wordt ook minder hoogradioactief afval geproduceerd, dat bovendien relatief snel ongevaarlijk wordt: na 200 à 300 jaar, in plaats van de tienduizenden jaren voor kernsplitsing. Ten slotte is heel weinig brandstof nodig, waardoor de schade bij een ongeval in principe beperkt is.

Q is de uitdaging

De geschiedenis leert dat elke manier om efficiënter energie te produceren de vooruitgang een stevige duw in de rug heeft gegeven. Stoommachines gaven de aanzet tot de eerste industriële revolutie, gas en elektriciteit maakten de economische productie onafhankelijk van dag- of kaarslicht, en olie gaf de mobiliteit en de handel een boost.

Maar of kernfusie in dat rijtje thuishoort, is niet zeker. Bij kernfusie worden atomen niet gesplitst, maar samengevoegd. Dat gebeurt door die atomen te verwarmen tot 150 miljoen graden Celsius. Daardoor smelten de atomen tot heliumplasma: een soep van ionen en elektronen, los van elkaar. Dat plasma wordt met magneetvelden op zijn plaats gehouden.

De grote uitdaging is een kwaliteits- of Q-factor van groter dan

1 te bereiken. Dat wil zeggen: meer energie produceren dan nodig is om het fusieproces te laten werken. “Dat is het criterium van Lawson”, weet Christian Dierick, energie-expert bij Agoria en coördinator van ITERBelgium. “De energieproductie is altijd een combinatie van plasmadensiteit, temperatuur en tijd. In de zon vindt kernfusie plaats bij een temperatuur van 5 à 6 miljoen graden, maar zijn het volume en de druk veel groter. Als je compacter moet werken dan in de zon, zijn veel hogere temperaturen nodig.” Omdat het zo moeilijk is die fysische wetmatigheden te beheersen, twijfelen veel wetenschappers aan de meeste aankondigingen van privébedrijven zoals TAE of het Canadese General Fusion, dat vorig jaar financiering aantrok van onder meer de Vlaamse investeringsmaatschappij Gimv, het Luxemburgse investeringsvehikel van de AB InBev-familie de Mévius DLF, en Amazon-baas Jeff Bezos. General Fusion hoopt vanaf volgend jaar een demonstratiereactor te bouwen in het Verenigd Koninkrijk.

Twee projecten staan momenteel in polepositie. Het eerste, International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), is van start gegaan in 1988. ITER is het product van afspraken tussen de Verenigde Staten en Rusland om samen te onderzoeken of kernfusie een haalbare energiebron is. 33 landen pompen geld in de reactor die sinds 2008 wordt gebouwd in het Franse Cadarache, nabij Aix-en-Provence. De Europese Unie neemt 40 procent voor haar rekening; de Verenigde Staten, Rusland, India, China, Zuid-Korea en Japan elk ongeveer 10 procent.

Het oorspronkelijke doel was een werkende kernfusiereactor in 2016, met een geschatte prijs van 5 miljard dollar. Nu wordt gemikt op een operationele reactor in 2025, en de eerste experimenten met kernfusie in 2035. Massaut: “Er zijn al kleinere reactors, waar bepaalde aspecten worden getest. Daardoor zijn we vrij zeker dat de technologie zal werken.”

Een tweede veelbelovend project is de Stellarator, waarvan de meest vergevorderde reactor, de Wendelstein 7-X, sinds 2015 operationeel is in het Duitse Greifswald. Zowel ITER als de Stellarator hanteert een donutvorm, maar die van ITER is vrij glad, terwijl de Stellarator meer golvend is, met ogenschijnlijk allerlei deuken en blutsen in het ontwerp. Dat complexere ontwerp zou het plasma stabieler moeten maken.

Er is nog een andere methode, die traagheidsopsluiting wordt genoemd, en wel militaire interesse geniet. Daarbij worden kleine, holle bolletjes van deuterium en tritium beschoten met lasers. De buitenzijde van de bolletjes ontploft, zodat er kernfusie kan optreden. Het Franse leger bouwt in Bordeaux aan een proefreactor en ook de Verenigde Staten experimenteren ermee. De komende decennia worden geen grote resultaten verwacht, toch niet voor commerciële energieproductie.

Belgische inbreng

Ook België speelt een aanzienlijke rol in de ontwikkeling van kernfusie. Het plasma-instituut van de Koninklijke Militaire School was al vanaf de eerste proefreactoren betrokken bij de microgolfantennetechnologie die nodig is om het plasma te verwarmen. Zowel ITER als zijn voorloper, de onderzoeksreactor JET in het Britse Culham, gebruikt die antennes.

Het SCK-CEN in Mol neemt dan weer materiaaltesten en metingen voor zijn rekening, waarvoor vooral de BR2 wordt gebruikt. Dat is al sinds de opstart in 1962 een van de krachtigste onderzoeksreactoren ter wereld. In de Kempen wordt gebouwd aan de Myrrha-reactor. “We weten niet precies welke schade de neutronen van kernfusie toebrengen aan het gebruikte materiaal. Dat zouden we daar kunnen testen”, weet Massaut. Naast wetenschappelijke instituten eisen ook Belgische bedrijven hun plaats op. 62 bedrijven zijn lid van ITERBelgium, een door de technologiefederatie Agoria aangestuurde coördinatiecel die Belgische ondernemingen zo goed mogelijk wil informeren over de mogelijkheden. Niet al die bedrijven zijn actief in fusietechnologie. Kraanbedrijven als Aertssen en Saerens mikken op een deel van de logistieke bijdrage aan de soms heel complexe bouwwerkzaamheden. Drie Franse dochters van het Gentse bodemonderzoeksbedrijf ABO doen geotechnische en stabiliteitsonderzoeken.

“Sommige werken in onderaanneming en mogen niet communiceren over wat ze precies doen. En niet alle leden hebben al contracten voor ITER, maar ze hebben wel al hun interesse getoond”, legt Dierick uit. Andere moeten nog geduld oefenen. Hydrogenics bijvoorbeeld kan mogelijk elektrolyseapparaten bouwen voor de tritiumfabriek, maar die komt er pas in een volgende fase.

Enkele bedrijven spelen wel al een belangrijke rol. Mayekawa Chemical in Zaventem heeft de compressoren geleverd die Air Liquide heeft geïnstalleerd in de heliumfabriek die het voor ITER heeft gebouwd. Die is vier keer zo groot als de grootste heliumfabriek ter wereld. Het helium koelt de magneten die het plasma in bedwang houden af tot 269 graden onder nul. Het controlebedrijf Vinçotte ziet toe op de fabricage van de segmenten van het vacuümvat. HTMS (High Tech Metal Seals) levert dan weer afdichtingen voor de verbindingspoorten tussen de binnen- en de buitenzijde van het reactorvat van de ITER-fusiereactor, waar met extreme vacuümomstandigheden moet worden gewerkt. Het Kempense Magics Instruments van de ondernemers Jens Verbeeck en Ying Cao, een spin-off van het SCK CEN en imec, is de wereldreferentie voor stralingbestendige elektronica. In het verlengde van het tweejaarlijkse ITER Business Forum, een vakbeurs voor bedrijven die in ITER zijn geïnteresseerd, heeft Christian Dierick mee de schouders gezet onder het Big Science Belgium Platform. “Bedrijven die voor ITER werken, hebben wellicht technologie of kennis in huis die ook bruikbaar is voor het CERN (onderzoekscentrum en deeltjesversneller in Zwitserland, nvdr), het Europees ruimtevaartagentschap ESA of een project als de Einstein-telescoop, dat mogelijk naar het drielandenpunt tussen België, Nederland en Duitsland komt. Zo creëer je een bredere markt voor onze technologiebedrijven.”

Decentrale productie

Welke rol zal kernfusie spelen in het energielandschap van de toekomst? Critici wijzen op de zware investeringen die nog nodig zijn voordat de technologie commercieel bruikbaar is. Vincent Massaut nuanceert: “De kostprijs van ITER wordt geschat op 18 miljard dollar. Per hoofd van de bevolking van de deelnemende landen is dat 1 of 2 euro per jaar. 18 miljard blijft veel geld, maar een volledig uitgerust vliegdekschip kost ook al 9 miljard. Heb je liever nog zo’n schip, of een oplossing voor de energieproblematiek?” Om de complexe technologie tegen min of meer competitieve prijzen stroom te kunnen laten produceren, gaan Dierick en Massaut uit van een reactor van minstens 500 megawatt. Dat komt overeen met de oudste Belgische kernreactoren. Ter vergelijking: de jongste, Doel 4 en Tihange 3, zijn dubbel zo groot. Massaut: “Het energieverbruik zal blijven stijgen. India, Brazilië en China hebben een lagere energieconsumptie dan wij, maar die landen willen ook hun levensstandaard verhogen. Er zal behoefte blijven aan grootschalige energieproductie.”

De Europese Unie streeft echter naar een 100 procent hernieuwbaar energiesysteem tegen 2050. Daarin zal decentrale productie de hoofdrol spelen: kleinere wind- en zonneproductie bij bedrijven en particulieren, aangevuld met offshorewind en mogelijk batterijen en centrales die op groen gas draaien. Daarin dreigt een grote fusiereactor niet thuis te horen. In dat scenario is het onverwachts uitvallen van een zonnepark geen probleem, maar een back-up voor een fusiereactor ligt veel moeilijker.

“Vóór 2050 zal kernfusie geen rol van betekenis spelen”, verwacht Dierick. “Maar ik zie niet in waarom het nadien geen deel van de energiemix zou kunnen zijn. Wellicht zullen we na 2050 nog altijd deels afhankelijk blijven van gas uit Rusland of het Midden-Oosten. Dan kan het geopolitiek heel nuttig zijn een alternatief achter de hand te hebben.”