In het afgelopen jaar hebben experimenten met kernfusie bij de National Ignition Facility (NIF) in de Verenigde Staten een enorme mijlpaal bereikt doordat reacties meer energie opleverden dan dat er werd ingestopt.

Dat is een nauwelijks te overschatten stap voor kernfusie en brengt de mensheid dichterbij het ideaal om dezelfde soort ongelimiteerde energie op te wekken als de zon.

Hoewel de NIF zich niet richt op commerciële toepassingen, legt deze wetenschappelijke doorbraak de basis voor een hele reeks aan onderzoeksinstellingen en startups die honderden miljoenen stoppen in de bouw van de eerste kernfusiecentrales. Sommige hebben hele ambitieuze doelstellingen en zeggen dat ze al vanaf 2028 elektriciteit kunnen gaan leveren aan huishoudens.

Kernfusiecentrales kunnen in theorie bijna vier keer zoveel energie produceren vergeleken met het stoken van kolen of olie — en dat zonder CO2-uitstoot.

Maar eerst moeten de onderzoekers betrouwbaar plasma weten te maken — een mix van atoomkernen en vrije elektronen — waarmee meer energie wordt opgewekt dan er nodig is om de fusiereactie op gang te brengen. Dat is wat Andrew Christlieb van een kernfusieproject aan de Michigan State University "stap nul" noemt.

"En daarna stuit je op een hele reeks van technische uitdagingen", die volgens hem minstens twintig jaar kosten om op te lossen.

Dus het vooruitzicht dat er al in 2028 kernfusiecentrales zijn, lijkt niet erg realistisch. Hoe graag investeerders die een heel nieuw tijdperk van schone energie mogelijk proberen te maken, dat ook willen.

Horde 1: het kost enorm veel energie om de kracht van de zon te benaderen

Bijna 90 jaar geleden ontdekten wetenschappers voor het eerst hoe ze energie zouden kunnen produceren uit kernfusie. Zo'n fusie treedt op als meerdere atomen zich binden of samensmelten om nieuwe atomen te vormen.

In dat proces wordt "een klein beetje massa omgezet in energie, maar dat kleine beetje levert heel veel energie op", zegt Christlieb.

Foto: Michael Livingston, PPPL

Bij de zon treedt nucleaire fusie op in de kern, waar het 15 miljoen graden is en de druk 100 miljard keer zo groot als in de atmosfeer van de aarde. Het is zacht gezegd een "technologische uitdaging" om die condities hier op aarde na te bootsen.

Drie wetenschappers kregen dit voor het eerst voor elkaar in een lab in 1934, toen ze een type waterstofatoom bombardeerden met een ander type subatomair deeltje dat een deuteron werd genoemd. De resultaten leverden "een enorm effect" op", schreven ze in The Proceedings of the Royal Society.

Sindsdien zijn wetenschappers op zoek gegaan naar manieren om een fusie-experiment gaande te houden en continue energiestromen op te wekken.

Er zijn tegenwoordig drie manieren waarop fusiereacties op aarde onder controle gehouden kunnen worden: door een brandstofcapsule te laten imploderen, door magnetische velden te gebruiken om plasma op te sluiten, of door beide methoden te combineren.

De fusie-experimenten bij NIF gebruiken lasers voor de implosiemethode. Maar de hoeveelheid energie die nodig is om de lasers aan te drijven is meestal groter dan de energie die de fusiereactie produceert.

Foto: Michael Livingston, PPPL

Horde 2: tritium is zeldzaam en duur

Om de fusie van atomen tot stand te brengen, vormen onderzoekers een plasma. Dat is een mengsel van twee waterstofisotopen, deuterium en tritium. Van elk is maar een paar gram nodig.

Deuterium is er in overvloed, maar tritium is uiterst zeldzaam en kost wel 30.000 dollar per gram.

De huidige voorraad bestaat slechts uit ongeveer 25 kilo. Onderzoekers hopen fusiereactoren te maken die hun eigen voorraad tritium aanmaken.

Kweekmantels zijn één optie. Hoogenergetische neutronen die vrijkomen bij fusiereacties zouden de omringende "mantel" van lithium raken, wat een splitsing in helium en tritium tot stand kan brengen. Het tritium kan dan worden opgevangen en worden teruggevoerd naar de reactor.

Foto: REUTERS/Jean-Paul Pelissier

Grote reactoren, zoals de International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), hebben elk meerdere kilo's tritium nodig om te kunnen werken. ITER zal misschien pas in de jaren 2040 gaan draaien en wordt gebruikt voor onderzoek in plaats van commerciële doeleinden.

Een van de belangrijkste doelen van ITER is het produceren van een brandend plasma. Het project is een internationale samenwerking tussen de Europese Unie, de VS, China, Rusland en andere landen.

Het oorspronkelijke budget is inmiddels al ver overschreden. De verwachting was dat het project in 2016 zou draaien voor een bedrag van ongeveer 6,3 miljard dollar, maar nu loopt het meerdere jaren achter en is het drie keer zo duur als oorspronkelijk geraamd.

Horde 3: iets in bedwang houden dat heter is dan de zon, is lastig

Het maken van een magnetisch omhulsel voor plasma is een uitdaging op zich. Plasma moet temperaturen van 150 miljoen graden Celsius en hoger bereiken. Dat is heter dan de zon.

Zelfs de meest hittebestendige metalen container smelt, als het plasma erin wordt gegoten. Elk materiaal zou beschadigd raken.

Foto: Jason Laurea/Lawrence Livermore National Laboratory

Een van de meest gebruikte oplossingen voor het concentreren van plasma is een tokamak. Het apparaat werkt als een soort "magnetische fles". De plasmadeeltjes volgen de onzichtbare lijnen van het magnetische veld en komen er niet buiten.

Horde 4: kernfusie is een gevoelige reactie die makkelijk onderbroken kan raken

Een metalen plasmacontainer zou de inhoud afkoelen en het fusieproces stoppen. Dat is een van de redenen waarom fusiereactoren geen Tsjernobyl-achtige meltdowns kunnen hebben. Het is zo'n gevoelige reactie dat verstoringen ervoor zorgen dat de reactie afkoelt en stopt.

Bovendien kan plasma zich vreemd gedragen. "Het is net als wanneer je met je hand een pudding fijnknijpt", zegt Christlieb. "De gelei-achtige substantie zal zich tussen je vingers wurmen, omdat het zich kan vormen naar de kleinste gaatjes." De tokamak moet zich daarom kunnen aanpassen aan de veranderingen in het plasma.

Als het plasma z'n gedrag verandert, kan het een wisselwerking aangaan met de wand van het apparaat en deze beschadigen. Een laboratorium van de universiteit van Princeton experimenteert met vloeibaar metaal voor sommige onderdelen van fusiereactoren. Jonathan Menard, hoofdonderzoeker van het Princeton Plasma Physics Laboratory, vergelijkt de reactie van het materiaal met de Terminator, omdat het bijna zelfherstellend is.

Horde 5: tritium blijft radioactief

Hoewel tritium een veel kortere halveringstijd heeft dan plutonium-239 (12,5 jaar vergeleken met 24.000 jaar), is het bekend dat tritium in het grondwater van kerncentrales lekt.

Omdat kernfusiecentrales een geheel nieuw type faciliteit zijn, zijn er nog veel onduidelijkheden als het gaat om diverse veiligheidsaspecten.

In een recent rapport is gekeken naar een reeks risicofactoren: van aardbevingen en brand, tot terroristische aanslagen. Sommige scenario's, zoals elektromagnetische ontlading - waarbij magneetsystemen falen en een brand kunnen veroorzaken - en ongelukken met mantels moeten verder worden bestudeerd, aldus de auteurs.

Experts denken dat het tientallen jaren duurt voordat kernfusie op commerciële schaal mogelijk is

Ondanks het grote aantal uitdagingen zijn zowel Menard als Christlieb optimistisch over de toekomst van energie uit kernfusie. Maar het is nog ver weg. "We zijn er niet binnen een paar jaar", zegt Menard. De tijdshorizon is eerder tientallen jaren.

"De eeuwige grap over kernfusie is dat het altijd nog tien jaar duurt", zegt Christlieb. Maar hij denkt dat het dichterbij is dan ooit tevoren.

Het bereiken van commerciële toepassingen van kernfusie binnen twee decennia zal niet snel genoeg gaan om de klimaatdoelen van veel landen te halen en de opwarming van de aarde tegen 2035 te beperken.

Christlieb denkt nog steeds dat het de moeite waard is: "Ik ben blij dat ik geloof dat ik dit nog tijdens mijn leven zal zien gebeuren."

LEES OOK: Limburg broedt op nucleaire minireactoren om CO2-uitstoot te beperken