Er is enorme opwinding geweest over de recente resultaten van de Joint European Torus (JET)-faciliteit in het VK, wat erop duidt dat de droom van kernfusie-energie steeds dichter bij de realiteit komt. We weten dat fusie werkt - het is het proces dat de zon aandrijft en warmte en licht aan de aarde levert. Maar decennialang is het moeilijk gebleken om de overstap te maken van wetenschappelijke laboratoriumexperimenten naar duurzame energieproductie.

Het fundamentele doel van fusie is om atoomkernen samen te brengen om een ​​andere, zwaardere kern te creëren, waarbij energie vrijkomt. Dit is anders dan bij kernsplijting, waarbij een zware kern zoals uranium in kleinere wordt gesplitst terwijl ook energie vrijkomt.

Een belangrijke moeilijkheid was het proces van het samensmelten van lichte atomen, isotopen van waterstof of helium. Omdat ze elektrisch geladen zijn en elkaar afstoten, verzetten ze zich tegen samensmelting tenzij kernen snel genoeg bewegen om fysiek heel dicht bij elkaar te komen - wat extreme omstandigheden vereist. De zon bereikt dit in de kern dankzij zijn immense zwaartekrachtvelden en zijn enorme volume.

Een benadering die in laboratoria op aarde wordt gebruikt, is "inertiële opsluiting", waarbij een kleine fusiebrandstofkorrel met een diameter van ongeveer een tiende van een centimeter van buitenaf wordt verwarmd en gecomprimeerd met behulp van laserenergie. In de afgelopen jaren is er enige bemoedigende vooruitgang geboekt met deze techniek, misschien met name door de National Ignition Facility in de VS, waar vorig jaar een fusie-opbrengst van 1,3 miljoen Joules (een maatstaf voor energie) werd gerapporteerd. Hoewel dit een vermogen van 10 biljard Watt opleverde, duurde het maar een fractie (90 biljoenste) van een seconde.

Een andere techniek, 'magnetische opsluiting', wordt in laboratoria wereldwijd breder toegepast en wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende routes om in de toekomst fusiecentrales te realiseren. Het gaat om het gebruik van fusiebrandstof in de vorm van een heet plasma - een wolk van geladen deeltjes - opgesloten door sterke magnetische velden. Om de voorwaarden te scheppen voor het plaatsvinden van fusiereacties, moet het opsluitingssysteem de brandstof voldoende lang op de juiste temperatuur en dichtheid houden.

Hierin ligt een belangrijk deel van de uitdaging. De kleine hoeveelheid fusiebrandstof (meestal slechts een paar gram) moet worden verwarmd tot enorme temperaturen, in de orde van 10 keer heter dan het centrum van de zon (150 miljoen ° C). En dit moet gebeuren met behoud van opsluiting in een magnetische kooi om een ​​energie-output te behouden.

Er kunnen verschillende machines worden gebruikt om te proberen deze magnetische opsluiting van het plasma te behouden, maar het meest succesvolle tot nu toe is het zogenaamde "tokamak"-ontwerp, dat een torus (donutvorm) en complexe magnetische velden gebruikt om het plasma op te sluiten, zoals werkzaam bij de JET-faciliteit.

Kleine stap of grote sprong?

De recente resultaten markeren een echte opstap in de zoektocht naar fusie-energie. De in totaal 59 miljoen joule energie, geproduceerd over een periode van vijf seconden, leverde een gemiddeld fusievermogen op van ongeveer 11 miljoen watt. Hoewel dit slechts genoeg is om ongeveer 60 ketels te verwarmen, is het toch indrukwekkend:een energie-output die 2,5 keer zo hoog is als het vorige record uit 1997 (ook in de JET-faciliteit, met 22 miljoen joule).

Het succes bij JET is het hoogtepunt van jarenlange planning en een zeer ervaren team van toegewijde wetenschappers en ingenieurs. JET is momenteel de grootste tokamak ter wereld en het enige apparaat dat gebruik kan maken van zowel deuterium- als tritiumbrandstof (beide isotopen van waterstof).

Het ontwerp van de machine, waarbij gebruik wordt gemaakt van koperen magneten die snel opwarmen, betekent dat deze alleen kan werken met plasma-uitbarstingen van maximaal enkele seconden. Om de stap te maken naar langer volgehouden krachtige operaties, zijn supergeleidende magneten nodig. Gelukkig is dit het geval bij de ITER-faciliteit, die momenteel in het zuiden van Frankrijk wordt gebouwd als onderdeel van een internationale inspanning waarbij 35 landen betrokken zijn, die nu 80% compleet. De recente resultaten hebben daarom veel vertrouwen gegeven in het technische ontwerp en de fysische prestaties voor het ITER-machineontwerp, ook een apparaat voor magnetische opsluiting, dat is ontworpen om 500 miljoen watt fusievermogen te produceren.

Er blijven echter nog andere belangrijke uitdagingen. Deze omvatten het ontwikkelen van geschikte duurzame materialen die bestand zijn tegen de intense druk in de machine, het omgaan met de enorme krachtuitlaat en, belangrijker nog, het opwekken van energie die economisch concurrerend is met andere vormen van energieproductie.

Het bereiken van opmerkelijke vermogensoutputs en deze gedurende meer dan zeer korte perioden in stand te houden, is al tientallen jaren de grootste uitdaging in fusie gebleken. Zonder dat dit uiteindelijk wordt opgelost, kan een eventuele kernfusiecentrale eenvoudigweg niet functioneren. Dit is de reden waarom de JET-resultaten een belangrijke mijlpaal vormen, zij het slechts een stap op weg.

De reuzensprong zal komen met het opschalen van de huidige fusieresultaten in volgende fusiesystemen, zoals ITER en vervolgens in demonstratiecentrales daarbuiten. En dit zou in de niet al te verre toekomst binnen handbereik moeten zijn, met als doel de operatie in de jaren 2050 of mogelijk iets eerder.

Belangrijke voordelen

Er staat veel op het spel. Fusie produceert meer energie per gram brandstof dan enig ander proces dat op aarde zou kunnen worden bereikt. Enkele van de belangrijkste voordelen van fusie zijn dat de producten van het proces helium en neutronen zijn (deeltjes die samen de atoomkern vormen, naast protonen) - er komen geen koolstofdioxide of andere broeikasgassen vrij. De ruwe brandstoffen zijn deuterium, dat te vinden is in zeewater, en lithium, dat ook in overvloed aanwezig is en wordt aangetroffen in uitgestrekte zoutvlakten. De potentiële fusie-energie die vrijkomt uit het lithium in één laptopbatterij en een badkuip water wordt geschat op ongeveer 40 ton steenkool.

Fusie produceert enige radioactiviteit in de materialen waaruit de reactor bestaat. Maar dit zal naar verwachting lang niet zo langlevend of intens zijn als het radioactieve afval dat wordt geproduceerd door kernsplijting, waardoor het potentieel een veiligere en smakelijkere keuze is dan conventionele kernenergie.

Uiteindelijk is Rome niet op een dag gebouwd. Verschillende andere aspecten van menselijk vernuft, zoals luchtvaart, hebben in het verleden veel tijd gekost om tot wasdom te komen. Dat betekent dat stappen die vooruitgang maken enorm belangrijk zijn en terecht gevierd moeten worden.

Fusie kruipt onverbiddelijk vooruit en we komen steeds dichter bij het bereiken van die eens zo verre droom van commerciële fusie-energie. Op een dag zal het een bijna onbeperkte voorraad koolstofarme energie bieden voor vele toekomstige generaties. Dus hoewel het er nog niet helemaal is, komt het eraan.