Fusiereactie levert meer energie op dan er ingestopt wordt – eindelijk kernfusie?

Geschreven door

Moises van der Vlis

Gecontroleerd door

Geoff

Bijgewerkt op

12 februari 2023

[addtoany] ×

Welkom nieuws vanuit de Amerikaanse National Ignition Facility. Voor het eerst zijn de onderzoekers erin geslaagd om meer energie uit de fusiereactie te halen, dan er door middel van lasers in is gestopt. Over-unity, heet dat in het energiewereldje. Reden om te juichen, en vervelende oliedictators de middelvinger te geven? Helaas, niet zo snel. Nog niet.

Waarom kernfusie?

Kernfusie wordt al een kleine eeuw als de heilige graal van de energievoorziening gezien. Geen wonder. Onze zon schijnt al miljarden jaren dankzij kernfusie. Onze oceanen zitten ook vol met reactiestof voor kernfusie, deuterium (1 op de 6500 waterstofatomen is een deuteriumatoom), en kernfusie levert per gram meer energie op dan kernsplijting.

De reactieproducten van kernfusie, zoals helium, zijn meestal niet gevaarlijk. Er is dus bijna geen kernafvalprobleem. Maar net zoals met het vinden van de heilige graal, is het tot nu toe nog steeds niet gelukt om een kernfusiecentrale te bouwen.

De drie benaderingen voor kernfusie

Het fundamentele technische probleem van kernfusie is dat je twee positief geladen atoomkernen aan elkaar moet laten kleven. Deze stoten elkaar af. Er zijn drie benaderingen die min of meer werken. (Er zijn er meer, zoals muonfusie, maar deze zijn weinig praktisch).

Eén daarvan is de atoomkernen heel erg heet te maken, zodat ze vaak genoeg met de juiste snelheid tegen elkaar botsen om fusie te ondergaan. Deze methode wordt gebruikt in zogeheten tokamaks, een soort donuts waarbinnen met sterke magneten de atomen vast worden gehouden. Zoals in de internationale onderzoeksreactor ITER in Frankrijk.

De tweede methode is min of meer nauwkeurig de atoomkernen op elkaar te schieten. Dit apparaat heet een fusor en wordt op dit moment als neutronenbron gebruikt. Als energiebron is de fusor tot nu toe kansloos.

De derde methode is de atoomkernen heel sterk op elkaar persen, zodat ze gaan fuseren. Deze methode is gebruikt om kernfusie te bereiken in het Californische laboratorium. Deze is ook de enige methode waarmee we kernfusie tot stand hebben gebracht die netto energie oplevert, namelijk in een waterstofbom.

Samenpersen met een enorme laser

De truc van de NIF-methode is geconcentreerd laserlicht te gebruiken om daarmee een kleine capsule met deuterium en tritium samen te drukken. Dit doelwit, zo groot als een peperkorrel, wordt zo dicht samengeperst dat er kernfusie op gaat treden. De hoeveelheid vermogen die deze lasers opwekken is echt verschrikkelijk veel, 500 terawatt.

Ter vergelijking: het totale wereldwijde energieverbruik is 18 terawatt. Dit kan, omdat deze lasers zeer kort werken, rond een miljardste van een seconde. Voor het eerst zijn de onderzoekers erin geslaagd om meer energie uit de fusiereactie te halen, dan er door de lasers in werd gestopt: 3,15 MJ, terwijl er met de lasers 2,05 MJ in werd gepompt.

Werkende centrale nu binnen bereik?

Echter, er is één maar. Je moet heel veel energie in een laser stoppen om deze te laten werken: in dit geval rond de 400 MJ, dus 200 keer zoveel. Dus het werkelijke rendement van de kernfusie was nog steeds erg laag. Toch is dit een veelbelovend begin. Slagen de onderzoekers erin om bijvoorbeeld 200 keer zoveel energie uit de reactie te halen, of de lasers 200 maal nauwkeuriger en zuiniger te maken, en bij voorkeur allebei? Dan hebben we een werkende kernfusiecentrale.

De grote doorbraak werd eigenlijk vorig jaar al bereikt, 8 augustus 2021. Omdat er toen voor het eerst fusieplasma ontstond, schoot de energieopbrengst omhoog van circa 0,2 naar 1,4 MJ. In vergelijking daarmee is de sprong van 1,4 naar 3,15 niet heel groot. Als deze verdubbelingen elk jaar aanhouden, hebben we in principe binnen 10 jaar een werkende centrale.