Wetenschap
De zoektocht naar fusie-energie boekt grote vooruitgang met de EU-Japan-reactor
De inhuldiging van 's werelds krachtigste fusiemachine brengt de droom van schone, veilige en overvloedige energie dichterbij.
In de Oost-Japanse stad Naka staat een zes verdiepingen hoge toren die verre van een gewoon gebouw is.
Het apparaat in de cilindrische staalconstructie wordt een tokamak genoemd. Het is ontworpen om wervelende, oververhitte gassen, plasma's genaamd, vast te houden met een temperatuur tot wel 200 miljoen graden Celsius, meer dan tien keer heter dan de kern van de zon.
Belangrijke mijlpaal
De tokamak, gelegen ten noordoosten van Tokio, vertegenwoordigt de volgende mijlpaal in een decennialange internationale zoektocht om fusie-energie werkelijkheid te maken en weerspiegelt de leidende rol die de EU en Japan spelen.
De Naka-structuur, bekend als JT-60SA, is het resultaat van een overeenkomst tussen de EU en Japan uit 2007 om fusie-energie te ontwikkelen. Het is 's werelds krachtigste tokamak en werd in december 2023 ingehuldigd na bijna tien jaar bouwen.
"De inbedrijfstelling van JT-60SA is een zeer belangrijke mijlpaal", zegt professor Ambrogio Fasoli, een Italiaanse natuurkunde-expert die leiding geeft aan een consortium dat EU-financiering heeft ontvangen om de vooruitzichten voor commerciële energie uit fusie te bevorderen.
Het partnerschap, genaamd EUROfusion, brengt ongeveer 170 laboratoria en industriële partners uit 29 landen samen. De deelnemers dragen hardware en personeel bij aan JT-60SA.
Fusie-energiereactoren zoals JT-60SA repliceren processen die plaatsvinden in de zon en andere sterren. Door waterstofatomen te laten samensmelten om helium en één neutron te creëren, waarbij energie vrijkomt in de vorm van warmte, hebben ze het potentieel om een veilige, schone en vrijwel onuitputtelijke energiebron te genereren.
Geen splijting
Fusie is het omgekeerde van splijting, het proces dat de kern vormt van traditionele kerncentrales. Terwijl splijting de verdeling van een zwaar atoom in twee lichte atomen inhoudt, combineert fusie twee lichte atomen om een groter exemplaar te vormen.
In tegenstelling tot splijting produceert fusie geen langlevend kernafval en vormt het geen risico op een kernsmelting of kettingreactie.
Onderzoek naar fusie begon in de jaren twintig toen een Britse astrofysicus genaamd Arthur Eddington de energie van sterren koppelde aan de fusie van waterstof tot helium.
Een eeuw later, nu de klimaatverandering steeds heviger wordt en landen over de hele wereld op zoek gaan naar alternatieven voor de fossiele brandstoffen die deze klimaatverandering veroorzaken, is de aantrekkingskracht van fusie net zo sterk als altijd.
Maar er blijven aanzienlijke obstakels bestaan. Ze omvatten de technische uitdagingen van het bouwen van reactoren waarvan de wanden niet zullen smelten door de extreme hitte binnenin, het vinden van de beste mengsels van materialen voor fusieproductie en het beperken van de bestraling van materialen in de reactor.
Nieuw nummer 1
Europees commissaris voor Energie Kadri Simson nam vijf maanden geleden deel aan de inhuldiging van JT-60SA in Naka.
De reactor van €600 miljoen werd gezamenlijk gebouwd door een EU-organisatie genaamd Fusion for Energy, of F4E, en de Japanse National Institutes for Quantum Science and Technology, ook wel bekend als QST.
Toen het actief werd verklaard, claimde JT-60SA de titel van grootste tokamak van een 40 jaar oude faciliteit in Groot-Brittannië genaamd Joint European Torus, of JET.
De JT-60SA zal tot 41 megawatt aan verwarmingsvermogen leveren, vergeleken met 38 MW voor JET.
"We hebben de machine aangezet en hij werkt", zegt Guy Phillips, hoofd van de eenheid voor JT-60SA bij F4E. "We zijn erin geslaagd om met zo'n apparaat de grootste hoeveelheid plasma ooit te produceren, wat een geweldige prestatie is. Maar dit was nog maar de eerste stap en we hebben nog veel werk te doen."
Opstapje
JT-60SA zal informatie geven over de werkzaamheden aan de volgende geplande tokamak:ITER, 's werelds grootste fusie-experiment.
ITER is dubbel zo groot als de JT-60SA en wordt gebouwd op een terrein van 180 hectare in Zuid-Frankrijk.
F4E beheert de Europese bijdrage aan ITER, dat 33 landen verenigt, en aan JT-60SA, waarvan de geplande levensduur ongeveer 20 jaar bedraagt.
Nu wordt bevestigd dat de kernsystemen van de JT-60SA werken, zal de reactor een geplande sluiting voor twee tot drie jaar ondergaan, terwijl een extern verwarmingssysteem wordt toegevoegd en andere worden geüpgraded.
"Wanneer we aan de volgende operationele fase beginnen, zullen we een stuk verder kunnen gaan met plasmaproductie en verschillende configuraties kunnen begrijpen", aldus Phillips.
Kennisopbouw
Continuïteit is een sterk kenmerk van fusieonderzoek.
Voordat zij hun aandacht op JT-60SA richtten, werkten EUROfusion-onderzoekers aan JET.
Die faciliteit brak zijn eigen record voor de grootste hoeveelheid energie die door een fusie-energiereactor werd geproduceerd voordat de laatste experimenten daar werden uitgevoerd en werd in december 2023 gesloten.
Met een energie van 69 megajoule in een uitbarsting van 5,2 seconden werd geschat dat de energie voldoende was om 12.000 huishoudens van stroom te voorzien.
"Het record op het gebied van fusie-energie bij JET is een ongelooflijk sterke herinnering aan hoe goed we nu fusiereacties op aarde beheersen", aldus Fasoli.
Vooruitkijken
Gezien het belang van kennis op dit gebied voeren zowel EUROfusion als F4E programma's uit om toekomstige generaties wetenschappers te interesseren en te trainen in fusie.
Twee factoren die de belangstelling voor kernfusie bij sommige jonge onderzoekers tegenhouden, zijn een gebrek aan onmiddellijke resultaten op dit gebied en een indirect – en ook ongerechtvaardigd – stigma dat verband houdt met kernsplijting, aldus Fasoli.
‘Dit is een transgenerationele inspanning’, zei hij. "Er is behoefte aan onderwijs, training en structuren die mensen geïnteresseerd kunnen houden."
Europees commissaris voor Innovatie, Onderzoek, Cultuur, Onderwijs en Jeugd Iliana Ivanova zei tijdens een evenement in maart 2024 met vertegenwoordigers van de industrie dat samenwerking tussen private en publieke entiteiten op het gebied van fusie essentieel is om de demonstratie van de opwekking van elektriciteit uit fusie te versnellen.
Het doel is om grotere industriële belanghebbenden en startups te betrekken bij de overgang van laboratorium naar fabricage, het zogenaamde laboratorium naar fabriek.
Dat betekent dat het ondernemerschap en de industriële capaciteiten van de particuliere sector moeten worden gecombineerd met de ambitie en het realisme van de publieke sector, aldus Fasoli.
Hij zei dat fusie-energie tegen 2050 werkelijkheid zou kunnen worden.
"Zolang we allemaal in dezelfde richting roeien, denk ik dat die horizon nog steeds redelijk is", zei Fasoli. "Het betekent dat we iedereen nodig hebben om samen te werken."