A global particle-in-cell simulation uses Weixing Wang's GTS code to show core turbulence in a Tokamak at Argonne National Laboratory. Researchers are the Argonne Leadership Computing Facility to push fusion computer codes and associated algorithms closer to defining plasma confinement properties required to ignite the ITER experimental fusion reactor. The achievement is an important step toward developing a commercially viable, clean, limitless energy source. Image created by Scott Klasky, ORNL. Via: ENERGY.GOV op Flickr.com
A global particle-in-cell simulation uses Weixing Wang's GTS code to show core turbulence in a Tokamak at Argonne National Laboratory. Researchers are the Argonne Leadership Computing Facility to push fusion computer codes and associated algorithms closer to defining plasma confinement properties required to ignite the ITER experimental fusion reactor. The achievement is an important step toward developing a commercially viable, clean, limitless energy source. Image created by Scott Klasky, ORNL. Via: ENERGY.GOV op Flickr.com

Kernfusie is dichterbij dan we denken (en de media zegt er geen woord over)

Terwijl het jaar 2016 de geschiedenisboeken in lijkt te gaan als een buitengewoon slecht jaar, hebben er het afgelopen jaar wel degelijk waardevolle ontwikkelingen plaatsgevonden. Al heeft de media er weinig oog voor, op het gebied van duurzame energie is 2016 het jaar van hoopvolle onderzoeksresultaten. Stefan de Bruijn bespreekt de vooruitgang die geboekt is in 2016.  

Vraag een groep mensen wat ze zien als je ze een wit vel geeft met een zwarte stip daarop. Vrijwel iedereen zal de zwarte stip beschrijven en vrijwel niemand kijkt naar het witte vel. Zo is het ook met klimaatverandering.

Het afgelopen jaar zijn er veel nieuwsberichten geweest over hoe desastreus Trump en zijn ministers zijn voor het klimaat, over NASA die geacht wordt haar werkzaamheden stil te zetten, over de Noordpool die in hard tempo smelt, over CO2-rechten die simpelweg bijgedrukt worden – te veel om op te noemen.

Het is de hoogste tijd om te praten over de rest van het witte vel, dat niet in het nieuws komt. Dit zijn de saaie, langzame ontwikkelingen waar niets lijkt te gebeuren, omdat ontwikkelingen over vele jaren zijn uitgesmeerd; ontwikkelingen die niet sexy zijn, omdat ze gepubliceerd zijn in een wetenschappelijk tijdschrift; ontwikkelingen die niet de illusie hebben morgen onze problemen voor een habbekrats te kunnen oplossen.

Welkom in de wereld van kernfusie: de meest duurzame energiebron die we kennen – en gelijktijdig het minst besproken onderwerp rondom klimaatverandering.

Kernfusie is geen silver bullet, die onze energieproblemen spontaan laat verdwijnen. Reactoren zijn enorme, zeer complexe installaties, die vele miljarden euro’s kosten en op dit moment minder energie produceren dan ze gebruiken. Desondanks heeft kernfusie een veelbelovende toekomst en die is wellicht dichterbij dan de meesten denken.

Kernfusie

Kernfusie is een proces waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. In vergelijking met een normale kernreactor kan een kernfusiereactor in potentie duizend keer zo veel energie opwekken met dezelfde hoeveelheid brandstof. Deze brandstof is water. Bij kernfusie ontstaat geen hoogradioactief afval zoals bij kernsplijting; het is een compleet ander proces.

Kernfusie is bovendien 100% veilig. Een kernfusiereactor kent (anders dan een normale kernreactor) geen kettingreactie, waardoor een nucleaire ramp simpelweg onmogelijk is. In het ergst denkbare scenario kan er een stukje van de reactor smelten, waarna het gehele proces zoveel afkoelt dat de reactie meteen tot stilstand komt.

Onze natuur heeft kernfusie al lang geleden bedacht als duurzame energiebron. Kernfusie is het proces dat zich afspeelt in onze zon. Gassen worden daar onder extreem hoge druk verwarmd tot enkele miljoenen graden Celsius. Door die extreme temperatuur en druk smelten atomen met elkaar samen. Hierbij gaat massa verloren, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Einstein voorspelde dit met zijn bekende formule E=mc2.

Onze zonnepanelen werken dus op energie die via kernfusie is geproduceerd. En ook onze wind is indirect het gevolg van de kernfusie in de zon. Kunnen we deze fantastische energiebron niet op aarde maken?

Wetenschappers hebben vlak na de Tweede Wereldoorlog dit idee getest. Na de bommen op Hiroshima en Nagasaki wilden sommige wetenschappers zien of kernfusie ook mogelijk was. Dit leidde tot waterstofbommen, die ook getest zijn. De enorme explosie die je ziet, wordt geproduceerd door ongeveer 160 kg deuterium.

Maar waar kernsplijting leidde tot nucleaire reactoren en een enkele kweekreactor heeft kernfusie, ondanks verwoede pogingen, nog niet geleid tot een energiebron.

Waarom hebben we het nog niet?

Wat is het probleem?

Kernfusie treedt voor zover we weten alleen op bij extreme druk of extreme temperatuur. Om het in getallen uit te drukken: we moeten een paar gram gas tot zo’n 150 miljoen graden Celsius verwarmen en voor langere tijd (minuten) in deze toestand houden.

Als je een gas verwarmt tot zulke hoge temperaturen noemen we het geen vuur meer, maar een plasma. Om plasma’s in bedwang te houden, kan je geen ‘normale’ bouwconstructie gebruiken; er is geen enkel materiaal op aarde dat dit soort temperaturen aankan. Dit is een andere manier om naar de veiligheid te kijken: in het slechtste geval komt het plasma in contact met ‘normale’ materie en (omdat het maar een paar gram is) krijg je een aantal nare brandplekken en koelt het geheel razendsnel af, waardoor alle reacties stoppen.

Als oplossing voor dit constructieprobleem wordt gekeken naar sterke magnetische velden, waarmee wetenschappers proberen het plasma te laten ‘zweven’ in het midden van de reactor. Magnetische velden van deze omvang maken en in stand houden kan alleen door gebruik te maken van supergeleiding. (Boaz Almog legt visueel goed uit wat de relatie tussen supergeleiding en magnetisme is.)

De traditionele oplossing: de Tokamak

De Russische fysici Igor Tamm en Andrei Sakharov hebben dit al in 1950 bedacht en kwamen als oplossing met de токама́к – een soort grote donut, die we tegenwoordig de ‘Tokamak’ noemen. De meeste kernfusiereactoren die gebouwd zijn, zijn Tokamaks.

Internal workings of a conventional tokamak with a central solenoid. Credit: Max-Planck Institut für Plasmaphysik - via http://www.100milliondegrees.com/merging-compression/
Internal workings of a conventional tokamak with a central solenoid. Credit: Max-Planck Institut für Plasmaphysik – via http://www.100milliondegrees.com/merging-compression/

Zoals beschreven zweeft het plasma binnen in een Tokamak. De donut bestaat uit supergeleidende magneten, waardoor het plasma blijft zweven in een cirkel. Opwarmen van het plasma gebeurt met een soort grote magnetron, wat energie kost. Zodra de temperatuur hoog genoeg is, treedt kernfusie op en komt energie vrij.

Tokamaks hebben echter één probleem: door de manier waarop ’ze werken, zijn de plasma’s inherent instabiel. In een ideaal plasma is de temperatuur homogeen verdeeld, waardoor in het midden (waar de temperatuur het hoogste is) kernfusie optreedt. Maar omdat het plasma beweegt, krijg je kleine onvolkomenheden (zoals wervelingen) die, naarmate de tijd vordert, erger worden. Het gevolg daarvan is dat de temperatuur in het midden afneemt, waardoor er geen kernfusie meer optreedt.

Het is mogelijk om dit op te lossen door er energie in te pompen, waardoor het plasma weer wat stabieler wordt. Als de instabiliteit te groot wordt, zit er niets anders op dan de reactie opnieuw te beginnen. Maar om kernfusie als energiebron te kunnen gebruiken, moet er uiteraard meer energie geproduceerd worden dan er in totaal gebruikt wordt. Op dit moment gebruiken alle Tokamak-reactoren meer energie dan ze produceren.

Grootte speelt hierbij een hele belangrijke rol. De analogie met een kampvuur is daarbij bruikbaar: stel je voor dat je een kampvuur ter grootte van een golfbal hebt. Het is bij dit soort afmetingen lastig om het vuur stabiel te houden, veel lastiger dan als het de grootte heeft van -zeg- een voetbal. Waarom? Een groter kampvuur produceert veel meer warmte en heeft minder last van kleine fluctuaties.

Zo is het ook met een plasma: als je een grotere hoeveelheid plasma hebt, is die simpelweg makkelijker in stand te houden, omdat je minder last hebt van fluctuaties. De installaties die tot nu toe zijn gebouwd, hebben daarbij allemaal de theoretische limiet dat ze nooit meer energie zullen opwekken dan dat ze verbruiken (om het plasma in stand te houden). Het wereldrecord is in 2014 gevestigd door de Joint European Torus (JET) die in de UK staat, waarbij de reactor 70% van de energie opwekte die er gebruikt werd om de reactie in stand te houden. Dit is een reactor uit 1984.

Op dit moment wordt in Frankrijk gebouwd aan een grotere reactor, genaamd ITER. ITER is ontworpen om tien keer zoveel energie op te wekken dan gebruikt wordt en zal naar verwachting daarmee de eerste kernfusie centrale worden die energie gaat produceren. Uiteraard is ITER ook veel groter dan de JET.

Weinig vooruitgang dus…

De meeste sceptici zeggen dat er dus maar weinig vooruitgang wordt geboekt. De theorie van kernfusie bestaat immers al sinds de Tweede Wereldoorlog en ondanks de miljarden euro’s die erin zijn gestopt, lijkt een echte doorbraak voor kernfusie als energiebron nog niet in zicht.

ITER is het grote voorbeeld, waarbij het project bijna structureel geplaagd lijkt te worden door bureaucratie, vertragingen, slecht management, een toename in kosten en andere ellende. Bovendien is het einde van het project nog niet in zicht en stamt het huidige ontwerp nog uit 2001.

Er is echter ook veel beter nieuws.

Moderne supergeleiders

Sinds de Tweede Wereldoorlog zijn supergeleiders enorm veranderd. En moderne supergeleiders zijn een game changer.

Oude supergeleiders zijn groot en lomp, en moeten worden afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Dit afkoelen kost niet alleen veel energie, maar is ook een enorme uitdaging om goed in een groot apparaat te transporteren.

Moderne ontwerpen maken gebruik van ReBCO supergeleiders, die werken op veel hogere temperaturen. Dit zijn de temperaturen van vloeibare stikstof, hetzelfde goedje dat de huisarts gebruikt om wratten mee te behandelen. Verder is de capaciteit van moderne supergeleiders veel groter, waardoor ze veel kleiner en handzamer zijn. ReBCO wordt letterlijk geproduceerd als rollen tape; veel handzamer dan dat gaat het niet worden.

Alles bij elkaar maakt dit het mogelijk om relatief kleine magneten te maken, die veel sterker zijn dan de magneten van ITER. Dat betekent een hogere druk op het plasma, waardoor de grootte van de installatie kleiner kan zijn.

Deze verschillen zijn heel goed te zien bij het MIT-team dat sinds eind vorig jaar bezig is met het design van de ARC-reactor. Het belangrijkste verschil tussen de ITER- en de ARC-reactor is dat de ARC-reactor gebruikmaakt van moderne supergeleiders. Als gevolg hiervan is de bouwtijd daarvan een fractie van die van ITER, tegen slechts een fractie van de kosten. Hoe enorm dit verschil is, is goed te zien in dit filmpje van MIT, waarin de onderzoeker op 2:30 een oude en een nieuwe supergeleider in zijn handen houdt:

De details van de ARC-reactor worden op dit moment nog ontworpen bij MIT. De financiering voor de bouw is nog niet rond.

Instandhouden van plasma

Eerder beschreef ik hoe plasma’s instabiel worden en dat we energie kunnen gebruiken om het plasma weer stabieler te maken. Tot begin dit jaar lukte het wetenschappers om op deze manier plasma’s tot maximaal 20 seconden in stand te houden.

Het opstarten van de reactor en het stoppen van de reactie kost echter ook energie. En gedurende deze tijd treedt er geen reactie op, waardoor er dus ook geen energie wordt geproduceerd. Voor een energiecentrale hebben we dus een mechanisme nodig waarmee we het plasma voor langere periodes in stand kunnen houden.

De ‘langere periodes’ die nodig zijn hier, zijn slechts minuten. Langere periodes dan dat zijn weliswaar efficiënter, maar niet noodzakelijk. Uiteindelijk wordt met de energie die uit kernfusie vrijkomt water opgewarmd tot stoom, waarmee stroom wordt opgewekt. (Dit is hetzelfde proces als bij bijvoorbeeld kolen- en gascentrales).

In februari dit jaar verbrijzelde een team van wetenschappers in China het record van 20 seconden. De wetenschappers wisten een plasma van 50 miljoen graden Celsius voor 102 seconden in stand te houden. Hoewel deze temperatuur niet voldoende is voor een kernfusiereactor (en deze doorbraak dus niet direct een energiecentrale oplevert), is dit wel een gigantische stap voorwaarts.

Wrang genoeg stond deze enorme doorbraak in geen enkele krant.

Supercomputers

Wat opvalt aan de Tokamak is dat het een vrij eenvoudig ontwerp is. Helaas is simulatie en begrip van het exacte gedrag van het plasma in de Tokamak niet eenvoudig en wetenschappers proberen dit dan ook al decennia goed te modelleren. Goede simulatie van dat gedrag is cruciaal om inzage te krijgen in het precieze probleem van de instabiliteit van het plasma. En dat maakt het mogelijk om oplossingen te formuleren, voordat er een reactor wordt gebouwd.

Computers waren tot enkele jaren geleden echter niet krachtig genoeg om dit soort simulaties te kunnen maken. Pas in maart 2016 is het wetenschappers gelukt om met moderne supercomputers een model te maken van plasma in een kernfusiereactor, dat goed lijkt te kloppen met de werkelijkheid. Met een simulatie die 100 miljoen rekenuren kostte, is het wetenschappers gelukt om een model van het plasma te maken dat representatief is met de werkelijkheid.

Vorm van de reactor

De instabiliteit van een plasma in een Tokamak wordt vooral veroorzaakt door de ontwerpkeuze om elektriciteit door het plasma te laten stromen. Als alternatieve oplossing hiervoor werd in 1958 het concept van een “Stellerator” geopperd. Stellerators laten het plasma ook in een cirkel stromen, maar ‘vouwen’ het plasma met supergeleidende magneten over zichzelf heen en hebben daardoor geen elektrische stroom nodig in het plasma.

By Max-Planck Institut für Plasmaphysik – Max-Planck Institut für Plasmaphysik, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24388371

Door de factor elektriciteit te elimineren krijg je in theorie een stabieler plasma. Het probleem met dit ontwerp was echter de complexiteit van de vorm. De berekeningen die nodig zijn om dit uit te rekenen, zijn zo complex dat ze niet door een mens op te lossen zijn. Maar moderne supercomputers hebben dit fundamenteel veranderd.

De Wendelstein 7-X in Duitsland is een modern Stellerator. Het ontwerp van deze reactor was niet mogelijk geweest zonder moderne supercomputers. De variabelen voor een stabiel plasma zijn hier het uitgangspunt geweest voor de berekeningen, die vervolgens door supercomputers zijn opgelost. Het uiteindelijke doel is om een plasma voor 30 minuten (!) in stand te houden.

De installatie werd in december 2015 officieel in bedrijf genomen met een plasma dat een tiende seconde in stand werd gehouden. Sindsdien zijn duizenden van dit soort experimenten gedaan om een simpele vraag te beantwoorden: is dit ontwerp realistisch en mogelijk?

The first hydrogen plasma in the Wendelstein 7-X was generated on 3 February 2016. Credit: Max Planck Institute for Plasma Physics, Greifswald. Via: http://phys.org/news/2016-06-scientific-experimentation-wendelstein-x-fusion.html
De Wendelstein 7-X fusion produceerde het eerste hydrogen plasma op 3 February 2016. Foto van Max Planck Institute for Plasma Physics. Via: http://www.ipp.mpg.de/4010154/02_16

Terwijl gisteren de Nederlandse krantenvier headlines hadden over terroristen, kwam het verlossende nieuws uit Duitsland (nieuws dat uiteraard wederom niet werd opgepikt door de media) met een nieuwe break through: de Wendelstein 7-X werkt! En de metingen overtreffen alle verwachtingen.

Extra interessant aan de Wendelstein 7-X is dat het moet laten zien dat deze aanpak geschikt is om een energiecentrale te kunnen bouwen. Dit is hetzelfde doel als ITER heeft – maar met dit verschil dat ITER pas geactiveerd zal worden in 2027, waar de Wendelstein 7-X al volop tests draait.

Kosten en financiering

Uiteraard zijn energiecentrales alleen maar interessant als ze ook economisch rendabel zijn. Een belangrijke vraag die overblijft: hoe rendabel zijn kernfusiecentrales?

Allereerst de grondstoffen voor de reactie zelf. De meest gebruikte reactie voor kernfusie is deuterium met tritium. Deuterium is een variant van waterstof, dat veel voorkomt in (normaal) water. Tritium is een variant van waterstof, die normaliter wordt gewonnen uit lithium. Beide grondstoffen worden gewonnen uit zeewater. De voorraad van Lithium op aarde is genoeg om iedereen op aarde ongeveer 1000 jaar van energie te voorzien. Kortom, grondstoffen zijn niet het probleem.

Daarnaast kost het geld om de reactoren te bouwen. Hoeveel dit kost is vooral afhankelijk van het type en de grootte van de reactor. Als indicatie is het goed om te kijken naar reactoren die gebouwd worden of gepland zijn.

Allereerst Tokamak-reactoren:

  • ITER is een Tokamak-reactor die gebouwd is om tien keer zoveel energie op te wekken dan hij gebruikt. De kosten van ITER zijn ongeveer 20 miljard euro. Deze kosten zijn hoog omdat het project al een langere tijd loopt: er wordt gebruik gemaakt van een ouder ontwerp en oude supergeleidende materialen.
  • De ARC-reactor is een ontwerp van MIT voor een Tokamak-reactor, die net als ITER ongeveer tien keer zoveel energie moet kunnen opwekken dan er wordt gebruikt. In tegenstelling tot ITER zal gebruik worden gemaakt van moderne supergeleiders. De kosten hiervoor zijn geraamd op ongeveer 4 miljard euro.

Als alternatief voor het Tokamak-ontwerp kunnen we ook kijken naar een Stellerator:

  • De Wendelstein 7-X die in Duitsland is gebouwd, heeft in totaal 1,07 miljard euro gekost, waarvan slechts 370 miljoen euro zijn besteed aan de reactor zelf. Deze reactor is echter niet gemaakt om energie op te wekken.
  • Het is nog te vroeg om een kostenraming te kunnen maken voor een energiecentrale op basis van dit principe, maar als we even aannemen dat het tien keer zo duur is als deze installatie, komen we op ongeveer 5 miljard euro.

Deze bedragen lijken wellicht veel, maar zijn dit niet in het grote plaatje. Stel bijvoorbeeld dat we in Nederland tien van deze reactoren nodig hebben en de kosten hiervoor afschrijven over twintig jaar. De kosten bedragen daarmee slechts 2,5 miljard euro per jaar – wat neerkomt op 2 cent per kWh. Dat is minder dan de meeste huidige alternatieven.

Wat betekent dit allemaal?

Kernfusie is dichterbij dan de meeste mensen denken.

  • We kunnen plasma’s lang genoeg in stand houden. China heeft bewezen dat het niet alleen theoretisch mogelijk is met een Tokamak-reactor, maar ook praktisch mogelijk. En ook de Wendelstein 7-X heeft wat dit betreft goede vooruitzichten.
  • Moderne supergeleiders veranderen de zaak. Dankzij het feit dat ze meer capaciteit hebben, veel handzamer zijn en praktischer inzetbaar dan ooit, zorgen ze ervoor dat installaties eenvoudiger en kleiner kunnen en dat de kosten en de productietijd van nieuwe installaties beter te overzien zijn.
  • Stellerators zijn een serieus, modern alternatief voor Tokamaks. De Wendelstein 7-X laat zien dat we met moderne supercomputers de vorm zo kunnen aanpassen dat de negatieve effecten, waardoor plasma’s in Tokomaks inherent onstabiel zijn, geen rol meer hoeven te spelen in de toekomst.
  • Economisch gezien is kernfusie rendabel. Een vereenvoudigde berekening laat zien dat kernfusie goedkoper is dan de meeste alternatieven.

Ja, het is zeker nog te vroeg om te juichen: er is nog veel werk te doen. Al dit werk moet uiteindelijk gaan leiden tot DEMO – de eerste kernfusie-energiecentrale.

Hoe lang dit nog duurt, ligt in dit geval voor een groot deel aan hoeveel geld we uittrekken om het probleem op te lossen. Het kost veel jaren om de financiering voor een volgende, iets grotere reactor rond te krijgen, die als doel heeft de volgende stap te bewijzen.

Deze progressie speelt op de achtergrond, in vele landen en in grote projecten, die allemaal een klein deel van de puzzel oplossen. De projecten laten allemaal een complex verhaal in een complexe context zien, die over enkele jaren moet leiden tot een functionerende energiecentrale. Deze combinatie maakt dat het onderwerp kernfusie op het witte papier verdwijnt.

Dit lijkt logisch, maar je kunt beargumenteren dat er veel voor te zeggen is om enkele tientallen miljarden te investeren om de twee grootste kanshebbers te bouwen: een Tokamak en een Stellerator, beiden op DEMO-schaal.

Want als je van een afstandje naar de vooruitgang kijkt die alleen al dit jaar is geboekt, dan zie je enorme progressie. Leg de puzzelstukjes op hun plek en je ziet door je oogharen al de energiecentrale van de toekomst.

Stefan de Bruijn
Over Stefan de Bruijn 8 Artikelen
Stefan de Bruijn (1981) ontwikkelde al op jonge leeftijd een interesse voor techniek, politiek en duurzaamheid. Hij studeerde Informatica en Psychologie. Van 2004 tot 2012 maakte Stefan carrière van junior automatiseringsdeskundige tot CTO. In 2012 besloot Stefan zijn eigen hightech informatica bedrijf op te zetten.

5 Comments

  1. Goed stuk Stefan de Bruijn .Waren er maar wat politici die er ook zo over dachten i.p.v. de gangbare korte politieke termijn visie die nergens op uitkomt.En zo zou het zomaar kunnen we een energiedeltaplan opstellen samen met de universiteiten en de industrie om tot een lange termijn oplossing te komen voor het energie vraagstuk.

  2. Goede samenvatting. Onbegrijpelijk dat politici het argument duur hanteren daar waar jaarlijks alleen al in Europa bijna duizend miljard Euro wordt bijgedrukt voor politiek/economische doeleinden. De toekomstige energievoorziening vrijwel uitsluitend te willen baseren op wind en zonnestraling is erg kortzichtig. Met voldoende goedkope energie kan CO2 (uitstoot of uit de atmosfeer) met water omgezet worden in koolwaterstoffen en daaruit kunnen ook kunststoffen worden gemaakt.

Geef een reactie

Uw e-mailadres wordt niet gepubliceerd.


*