In een dor en licht bebost gebied in de buurt van het Zuid-Franse Aix-en-Provence gebeurt iets groots. Hier verrijst een machine van 13 miljard euro. Een apparaat dat misschien een grote rol gaat spelen voor de energievoorziening van de toekomst. Kennislink reist af naar Zuid-Frankrijk en kijkt hoe het ervoor staat met de bouw van kernfusiereactor ITER.
Een waterige voorjaarszon laat zich voorzichtig zien als de pakweg 20 journalisten uit verschillende Europese landen plaatsnemen in een presentatieruimte van het splinternieuwe hoofdkantoor van het ITER-project. Het gebouw is pas een half jaar oud en staat op bijna een steenworp afstand van de plek waar momenteel de fundering wordt gelegd voor een kernfusiereactor. De komende twee dagen zullen we overspoeld worden met informatie over kernfusie, de complexiteit van het apparaat en de ingewikkelde internationale samenwerking binnen het project.
Een blik op de zogenoemde ‘tokamak pit’, een ruwweg 15 meter diepe kuil waarin ITER verrijst.
Roel van der HeijdenWaarom kernfusie?
Maar eerst de belangrijke vraag: waarom zouden we zo graag aan kernfusie willen doen? Wijzend op de honderden miljarden sterren die de Melkweg telt, stelt Carlos Alejandre, vice-directeur van de veiligheidsafdeling van ITER: “Je kunt vrij gemakkelijk concluderen dat kernfusie de populairste energiebron in het universum is.” En zou het niet handig zijn als we precies hetzelfde op aarde zouden kunnen doen? Als vervanging van de langzaam oprakende fossiele brandstoffen. Als een vrijwel onuitputbare energiebron zonder uitstoot van broeikasgassen.
Dát zijn belangrijke redenen voor de bouw van ITER, die hier op een paar honderd meter afstand verrijst. Europa, de Verenigde Staten, Rusland, China, India, Japan en Zuid-Korea storten hier miljarden in een project om te ontdekken of kernfusie geschikt is als betrouwbare energiebron voor de toekomst. Hier wordt gebouwd aan een zon op aarde.
Hoewel de fundering van ITER bij wijze van spreken nog ligt te drogen gaat de geschiedenis van het megaproject heel wat jaren terug. Het was 1985 toen Ronald Reagan en Michail Gorbatsjov tijdens een ontmoeting in Genève besloten om kernfusie in te gaan zetten voor energiewinning. Het ITER-project werd geboren en werd in eerste instantie ondersteund door de VS, de Sovjet-Unie, Japan en een aantal Europese landen. Later zouden China, Zuid-Korea en India volgen. ITER is geen afkorting maar is afgeleid van het Latijnse ‘weg’.
Al aan het eind van de jaren ’40 van de vorige eeuw werd er geëxperimenteerd met kleine fusiereactors in het Verenigd Koninkrijk. In de jaren daarna zouden ook de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie zich daarmee bezig gaan houden. Ondanks de ruim vijftig jaar onderzoek naar kernfusie, met verschillende opstellingen om de fusie te bereiken, is het nog steeds niet gelukt om netto energie de onttrekken aan het proces. Het beste resultaat boekte de JET-reactor (Joint European Torus) in het Verenigd Koninkrijk, in 1997 werd er kortstondig 16.000.000 watt geproduceerd, ongeveer 70 procent van het elektrische vermogen dat nodig was voor het verhitten van de fusiebrandstof.
Impressie van de binnenkant van de fusiereactor Joint European Torus (JET). Links de uitgeschakelde reactor, rechts een impressie van het moment waarop er een gloeiendheet plasma is.
EUROfusion via CC BY 4.0
De zon doet al miljarden jaren aan kernfusie.
SOHO-EIT Consortium/ESA/NASAIn de zon is kernfusie aan de orde van de dag. Per seconde wordt er ruim 600 miljoen ton aan waterstof omgezet in helium. Bij dit proces worden twee (en uiteindelijk meerdere) atoomkernen bij zeer hoge druk en temperatuur samengevoegd en vormen zo een nieuw element. Bij kernfusie, dat niet te verwarren is met kernsplijting, komen enorme hoeveelheden energie vrij.
De reden daarvoor is dat de reactieproduct(en) bij elkaar een fractie minder wegen dan de stoffen die de fusiereactie in zijn gegaan. Dat massaverschil kan via de beroemde formule van Albert Einstein, E = mc2, omgerekend worden naar energie. In het geval van de omzetting van twee waterstofatomen naar helium is het verschil in massa ruim een half procent. Dat lijkt misschien weinig, maar het levert behoorlijk wat energie op. De omzetting van een gram materie naar energie levert ongeveer 90 biljoen joule aan energie op. Genoeg om zo’n 7500 Nederlandse huishoudens een jaar lang van elektriciteit te voorzien.
Om deze energie echter te kunnen ‘oogsten’ ontkom je er niet aan om de omstandigheden in de zon na te bootsen. En dat is een hels karwei als je bedenkt dat de druk in het hart van de zon 250 miljard bar is en dat er een temperatuur heerst van zo’n 15 miljoen graden Celsius.
Richard Pitts, die bij ITER verantwoordelijk is voor de reactorwand, legt uit er daarom wordt gekozen voor een alternatieve fusiereactie: “Terwijl in de zon een aantal waterstofkernen via een reeks reacties wordt gefuseerd tot helium, is het voor ons veel slimmer om deuterium en tritium te fuseren. Deze reactie verloopt namelijk goed bij een lage druk. Voorwaarde is wel dat de temperatuur flink opgeschroefd moet worden: we moeten naar zo’n 150 miljoen graden Celsius.”
Voor deze alternatieve fusiereactie heeft ITER dus deuterium en tritium nodig, dat helaas minder voor het oprapen ligt dan waterstof. Deuterium kan nog vrij gemakkelijk uit water geïsoleerd worden; ongeveer één op de 6500 waterstofatomen op aarde is deuterium. Tritium is echter een wat lastiger verhaal. Met een halfwaardetijd van ruim 12 jaar vervalt het binnen afzienbare tijd, waardoor het nauwelijks in de natuur voorkomt.
ITER kan nog putten uit een voorraadje tritium dat als bijproduct is gemaakt in kernsplijtingsreactors. Maar mocht kernfusie ooit een groot succes worden dan moet er een andere tritiumbron worden aangesproken. Een idee is om fusiereactors hun eigen tritium te laten maken. Dat concept zal met ITER getest worden. Een deel van de wanden van ITER zal namelijk worden gemaakt van lithium. Hoogenergetische neutronen die uit de fusiereactie vrijkomen en de lithiumkernen raken zorgen voor de uiteenvalling van lithium in onder andere tritium, dat op zijn beurt de fusiereactie kan blijven voorzien van nieuwe brandstof.
Genoeg om je arm te verdampen
150 miljoen graden is een onvoorstelbare hoge temperatuur. Bovendien zullen bij heel wat mensen alarmbelletjes afgaan bij het woord ‘kernreactie’. De vraag rijst bijna automatisch, is dat niet gevaarlijk? Wat als er iets mis gaat?
Pitts beaamt dat 150 miljoen graden een hoge temperatuur is, maar relativeert: “Als ITER draait dan zit er ongeveer 300 megajoule aan energie in. Dat klinkt als een hoop, maar het is genoeg om ongeveer je arm te verdampen”, grapt hij. “Nee, eigenlijk kun je daar misschien duizend pannetjes water mee aan de kook brengen. Als je dat vergelijkt met de energie die is opgeslagen in de uraniumstaven in een splijtingsreactor is dat echt heel erg weinig.” Wanneer zo’n reactor als gevolg van een storing een deel van zijn energie ongecontroleerd vrijgeeft dan is dat genoeg om theoretisch een gat in de grond te smelten, oftewel er is dan sprake van een meltdown.
ITER is groot. Onderin is nog net een persoon te zien.
Karlsruhe Institute of TechnologyDe reden dat er maar zo weinig energie in ITER zit, is dat de reactor nagenoeg vacuüm is. De inhoud van ITER is ongeveer 840 kubieke meter, zeg maar de inhoud van pakweg twee rijtjeshuizen, terwijl de aanwezige fusiebrandstof een gewicht heeft van slechts een gram.
Een ander groot verschil is dat er bij kernfusie geen sprake is van een kettingreactie, zoals wel het geval is in splijtingsreactors. Bij een kernsplijting komen er namelijk neutronen vrij die nieuwe kernsplijtingen aanjagen. Om ervoor te zorgen dat de kettingreactie niet uit de hand loopt moet er spreekwoordelijk continu op de rem worden getrapt met regelstaven in de reactor. Gaat er iets mis met die rem dan heb je een probleem.
Bij kernfusie is de situatie eigenlijk andersom, daar moet steeds op het gaspedaal worden geduwd. Ten eerste veroorzaken de vrijkomende neutronen hier geen nieuwe fusiereacties en ten tweede moet de temperatuur ten alle tijden boven de pakweg 100 miljoen graden worden gehouden om de reacties enigszins op gang te houden. Gaat er iets mis met een van de regelsystemen of het reactorvat dan zal dat onvermijdelijk leiden tot het dalen van de temperatuur. Een daling die als gevolg heeft dat de fusiereacties minder goed verlopen en uiteindelijk vanzelf stoppen.
Nucleaire faciliteit
Toch is kernfusie misschien niet zo zonnig als je nu mag vermoeden. De vrije neutronen die tritium produceren uit de reactorwand hebben ook een nadelig effect. “Dit bombardement van neutronen uit de fusiereactie maken de reactorwand langzaam radioactief”, zegt Alejandre.
Kernfusie zorgt voor radioactief afval, maar dat zijn kleine hoeveelheden en lichtradioactief afval.
KnowledgeNL, via Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0Op het moment dat er een onderdeel uit de reactor moet worden vervangen of dat ITER in zijn geheel wordt afgebroken dan zit je dus met een radioactieve reactorwand. Dat lijkt een reden om nooit aan kernfusie te beginnen, maar feit is dat dit materiaal in radioactief opzicht een veel kortere levensduur heeft dan het afval dat in de meeste kerncentrales wordt gevormd. Je hebt het dan over ongeveer 100 jaar in plaats van de soms duizenden jaren. Daar komt bovenop dat er veel minder van dit afval zal zijn, aangezien er bij het fusieproces zelf geen afval wordt gevormd.
Maar het is niet alleen de reactorwand; ook het tritium zelf dat als brandstof de reactor ingaat is radioactief, zij het met een korte levensduur. Pitts: “ITER is een nucleaire faciliteit. En daarbij horen zeer strenge regels, voor bijvoorbeeld de opslag en het gebruik van deze stoffen.” Dat verklaart ook de flinke veiligheidsmaatregelen die nu al zijn getroffen rondom het project. Als we naar buiten kijken dan zien we een hoge dubbele omheining die het gehele complex omringt.
Geen greintje elektriciteit
Als de medewerkers van ITER op één ding blijven hameren, dan is het dat ITER een testreactor is. Er zal in de minimaal 20 jaar dat de reactor draait geen kilowattuur aan het elektriciteitsnet worden afgegeven. En dat terwijl er vanaf 2027 wel degelijk energie uit het apparaat moet komen. “Die energie wordt volledig weggekoeld in grote waterbassins,” zegt Sabina Griffith, voorlichter bij ITER. “Wij zijn simpelweg niet in staat een constante energielevering te garanderen. De beheerders van het stroomnet zouden ons haten als we te pas en te onpas een hoop energie op het net dumpen.”
Het is ook duidelijk dat kernfusie als energiebron een kwestie van de lange adem wordt. Pitts: “Ik denk niet dat we kunnen verwachten dat kernfusie in de komende 60 tot 80 jaar een heel erg grote bron van energie voor ons wordt.” Alejandre voegt daar aan toe dat kernfusie sowieso niet in al onze behoeften gaat voorzien. “Vergelijkbaar met de huidige energievoorziening zullen we verschillende energiebronnen moeten hebben. Naast kernfusie zouden dat bijvoorbeeld wind- en zonne-energie kunnen zijn.”
Hij gaat verder: “Of fusie-energie uiteindelijk goedkoop of duur wordt? Dat kan ik als wetenschapper lastig inschatten. Er zijn in ieder geval mensen die hebben berekend dat het een concurrerende prijs zou kunnen hebben, maar of dat echt zo is? Ik denk dat we dat pas weten als we de demo-centrale gebouwd hebben. Dat apparaat moet echt elektriciteit gaan genereren met behulp van kernfusie. Maar goed, dat project staat pas ná ITER op de planning.”
Ondanks de teststatus van ITER is het project belangrijk voor kernfusie. Het moet de eerste reactor worden waar via kernfusie meer energie uitkomt dan dat er nodig is om de reactor op te warmen. Griffith: “Als het met ITER niet lukt om kernfusie voor elkaar te krijgen, dan zal deze vorm van energiewinning voor lange tijd afgeschreven zijn.”