Duitsland zet grote stap op weg naar kernfusie

Het was bondskanselier Angela Merkel zelf die op de knop drukte voor het experiment, waarvan gehoopt wordt dat het nucleaire fusie dichterbij zal brengen. Merkel heeft een doctoraat in de natuurkunde.

Na negen jaar van opbouw en testen injecteerden de onderzoekers van het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald een kleine hoeveelheid waterstof in de Wendelstein 7-X, een gigantische kernfusie-installatie met de vorm van een donut, en bombardeerden het vervolgens met het equivalent van 6.000 microgolfovens.

Het resultaat daarvan was een superverhit gas, een plasma, dat een fractie van een seconde bleef bestaan voor het opnieuw afkoelde. De onderzoekers beschouwen dat kortstondige resultaat echter als een volkomen succes. "Met een temperatuur van 80 miljoen graden en een levensduur van een kwart van een seconde, heeft de installatie volkomen aan onze verwachtingen beantwoord", zo klinkt het in een persbericht.

"Alles liep prima vandaag", zei Robert Wolf, een belangrijke onderzoeker bij het project aan het persbureau AP. "Met een dergelijk complex systeem moet je er zeker van zijn dat alles perfect werkt en is er altijd een risico."

Een van de moeilijkheden aan het systeem, is het afkoelen van de complexe opstelling van magneten die nodig zijn om het plasma te laten zweven in het apparaat. De onderzoekers hebben dan ook goed gekeken naar de problemen die zich hebben voorgedaan bij het opstarten van de Large Hadron Collider, de deeltjesversneller in Zwitserland, om te vermijden dat ze dezelfde fouten zouden maken, zo zei hij. Bij de LHC zijn er kort na het opstarten problemen geweest met de supergeleidende magneten.

Het experiment in Greifswald, een havenstad aan de Baltische kust, is een onderdeel van de wereldwijde inspanning om nucleaire fusie te kunnen beheersen. Nucleaire fusie is het proces dat de zon haar energie geeft: bij extreem hoge temperaturen fuseren atoomkernen en daarbij komen grote hoeveelheden energie vrij.

Het wordt gezien als een schone, onbeperkte bron van energie, en als we het proces onder de knie zouden krijgen, zouden we fossiele brandstoffen en kernenergie kunnen vervangen door een goedkopere, meer efficiënte, en duurzamere bron van energie. "Het is een zeer schone bron van energie, de meest milieuvriendelijke bron die je kunt wensen. We doen dit niet voor onszelf, maar voor onze kinderen en kleinkinderen", zei natuurkundige John Jelonnek aan AP. 

Kernsplitsing, het proces dat gebruikt wordt in onze huidige atoomcentrales, wekt energie op door de kern van een zwaar atoom te splitsen in kleinere kernen en neutronen. Het is erg efficiënt, per massa is de hoeveelheid energie die erdoor wordt opgewekt miljoenen keren groter dan bij het verbranden van kolen, maar het is ook gevaarlijk. Het delven van de brandstof, uranium, is zeer belastend voor het milieu, en bij het proces komt radioactiviteit vrij en radioactief afval, waarmee voorzichtig moet omgegaan worden. 

Kernfusie daarentegen produceert gigantische hoeveelheden energie wanneer atomen samengevoegd worden bij extreem hoge temperaturen, maar het brengt geen radioactief afval of andere ongewenste bijproducten voort.

Drie reacties die momenteel onderzocht worden om ooit te gebruiken in het opwekken van energie door kernfusie: 

• een kern van deuterium (een isotoop van waterstof met een proton en een neutron in de kern) fuseert met een kern van tritium (een radioactieve isotoop van waterstof met twee neutronen en een proton in de kern). Dat geeft een kern van een heliumisotoop met twee neutronen (He-4), een los neutron en energie
• een kern van deuterium fuseert met een kern van een heliumisotoop met twee protonen en een neutron (He-3). Dat geeft de kern van een He-4-isotoop, een los proton en energie
• twee deuteriumkernen fuseren tot een kern van een heliumisotoop (He-3), een neutron en energie.

De bovenste reactie is de gemakkelijkste om te realiseren, de middelste levert de meeste energie op (protonen zijn rood, neutronen blauw, de relatieve hoeveelheid energie wordt weergegeven in de roze vlam).

Voorstanders van kernfusie geven toe dat het waarschijnlijk nog tientallen jaren zal duren voor we de vereiste technologie hebben om het proces toe te passen. Een van de vele problemen is dat we de omstandigheden binnen in de zon moeten nabootsen, en dus een machine moeten bouwen die in staat is om een 100 miljoen graden warme bal van plasma voort te brengen en onder controle te houden. (In de kern van de zon is het zo'n 15 miljoen graden, maar de druk is er dan weer veel hoger.)

In het zuiden van Frankrijk is men intussen bezig aan de bouw van ITER, de International Thermonuclear Experimental Reactor, een grote experimentele fusiereactor die een sterke elektrische stroom gebruikt om het plasma lang genoeg vast te houden om kernfusie plaats te laten vinden.

Dat toestel, dat eveneens de vorm van een donut heeft, is een zogenoemde tokamak. De tokamak is uitgevonden door natuurkundigen uit de Sovjetunie in de jaren 50, en het wordt beschouwd als een toestel dat redelijk gemakkelijk te bouwen is, maar zeer moeilijk om te gebruiken. 

De Wendelstein 7-X (W7-X) in Greifswald maakt gebruik van een andere technologie die is bedacht door de Amerikaanse natuurkundige Lyman Spitzer in 1950. Het toestel heet een stellarator en het maakt gebruik van een ingewikkeld systeem van magnetische wikkelingen in plaats van elektriciteit, om het plasma op zijn plaats te houden. 

Een stellarator werkt ononderbroken, terwijl een tokamak enkel met pulsen, stroomstoten werkt. De W7-X zou dan ook in staat moeten zijn om het plasma langer op zijn plaats te houden dan een tokamak, zei Thomas Klinger, de leider van de Duitse project.. "De stellarator is veel kalmer", zei hij aan de Christian Science Monitor. "Hij is veel moeilijker te bouwen, maar makkelijker om te gebruiken."

De W7-X is de grootste stellarator ter wereld maar het is niet de bedoeling dat hij ooit stroom zal opwekken. Hij is enkel bedoeld om te bewijzen dat de technologie in staat is plasma van de juiste temperatuur te controleren. Er zijn wereldwijd zowat een dozijn experimenten met stellarators, maar de W7-X is de enige die tot nu toe de prestaties van een tokamat heeft geëvenaard.

De W7-X heeft de afgelopen 20 jaar in totaal, met de lonen van het personeel inbegrepen, zo'n miljard euro gekost. Dat is heel wat minder dan de ITER-tokamat. Daarvan is onlangs gezegd dat de bouw zes jaar langer zal duren dan eerst gedacht en dat er meer geld zal nodig zijn dan de 5 miljard die in 2006 geschat werd als kostprijs. De laatste rapporten spreken zelfs over 15 miljard euro als prijskaartje.

Een deel van de enorme installatie.

De W7-X werd voor het eerst opgestart in december met helium, dat gemakkelijker te verhitten is dan waterstof. Dat had ook als voordeel dat helium de proefopstelling "reinigt" van alle piepkleine deeltjes vuil die na de opbouw waren achtergebleven.

De onderzoekers bij de W7-X stellarator zullen nu de komende vier jaar hun experimenten voortzetten, waarbij ze gas verhitten tot plasma en het plasma in een gecontroleerde toestand houden.

De beginfase van het huidige experiment, waarbij het plasma slechts enkele ogenblikken stand houdt, zal voortgezet worden tot midden maart. Langzaamaan zal daarna het vermogen dat gebruikt wordt, opgevoerd worden van de 2 megawatt van het huidige experiment, tot het maximum van 20 megawatt. Daarmee hoopt men een temperatuur van 100 miljoen graden te bereiken, even warm als in de zon. Tegelijk zal ook de levensduur van het plasma verlengd worden, tot uiteindelijk een halfuur.

Vanaf 2019 zal men ook deuterium gebruiken in de W7-x om te komen tot kernfusie, maar daarbij zal niet meer energie vrijkomen dan er in gestopt wordt.