Met enige regelmaat wordt kernfusie naar voren geschoven als de toekomst van de energievoorziening voor de mensheid. Critici merken echter ook iedere keer weer op dat kernfusie nog 50 jaar weg is. En altijd al 50 jaar in de toekomst lag. Kortom dat het er waarschijnlijk nooit van zal komen. Maar wat is kernfusie eigenlijk? En wat zijn de nadelen?

Wat is kernfusie?

Kernfusie is iets anders dan kernsplijting. In een gangbare kerncentrale worden grote, instabiele atomen gesplitst, waarbij energie vrijkomt. Bij kernfusie worden kleine atomen onder hoge druk en temperatuur samengesmolten, waarbij ook energie vrijkomt. Technisch gezien is het dezelfde energie die er in de zon wordt opgewekt. Daar is de temperatuur zo’n 15 miljoen graden en de druk (door de massa van de zon) enorm.

(afbeelding Nu.nl)

Op aarde lukt het niet om zo’n hoge druk te organiseren, dus moet de brandstof voor kernfusie op aarde tot een temperatuur van wel 300 miljoen graden worden opgewarmd voordat fusie plaatsvindt. Als brandstof wordt er dan een mix gebruikt van twee isotopen van het atoom waterstof – deuterium met één proton en één neutron in de kern en tritium met één proton en twee neutronen in de kern. Die neutronen maken het iets makkelijker om de afstoting van twee protonen te overkomen. Deuterium komt nog redelijk veel voor, tritium is zeldzaam, en het idee is om dat te “broeden” in een fusiereactor door de vrijkomende neutronen in een deken van lithium-metaal nieuwe tritiumatomen af te laten splitsen.

Door het samensmelten van dit deuterium en tritium ontstaat er helium, een los neutron en heel veel hitte. Met die hitte wordt stoom gevormd, een generator aangedreven en heb je elektriciteit.

Doorbraak

De laatste tijd wordt er regelmatig gesproken over doorbraken in het fusieonderzoek. Daarmee wordt dan bedoeld dat er fusie-experimenten zijn uitgevoerd, waarbij er meer energie wordt opgewekt dan erin wordt gestopt. Bij de laatste “doorbraak” in december 2022 werd in de VS tijdens een miljardste van een seconde zoveel energie opgewekt om drie potten thee te zetten. Het experiment is in de zomer van 2023 nog eens herhaald. Dat lijkt een grote doorbraak, maar voordat we spreken over een machine die continu energie kan leveren, en ook nog in grote hoeveelheden, zijn we echt een aantal decennia verder.

De energie die er nodig is om die startenergie op te wekken en op de juiste kleine plek te krijgen wordt daar bovendien niet bij meegerekend. Als je die meetelt bij het experiment in Californië, was er nog honderden malen meer energie nodig voor het starten van de fusie-reactie. Het experiment was bovendien niet bedoeld voor de ontwikkeling van fusiereactoren, maar om het gedrag van de kern van waterstofbommen (die ook van kernfusie gebruik maken) beter te begrijpen.

ITER en DEMO

Het grootste project om kernfusie te ontwikkelen heet ITER. Het betreft een samenwerking van 35 landen om in het zuiden van Frankrijk de grootste fusiereactor tot nu toe te bouwen. ITER wordt verwacht in de tweede helft van dit decennium van start te gaan. Het project gaat nog geen elektriciteit leveren, maar moet aantonen dat het mogelijk is om een continue gecontroleerde fusiereactie te laten plaatsvinden en daar tests mee te doen.

Als ITER succesvol blijkt, moet een reactor worden ontwikkeld die fusie-energie omzet in elektriciteit. Deze reactor is DEMO gedoopt. DEMO wordt gepland tussen 2050 en 2075 operatief te kunnen worden. Op basis van DEMO kan dan een commerciële reactor worden ontwikkeld.

Er zijn nog een aantal kleinere initiatieven die proberen sneller tot een fusie-reactor te komen met iets andere technieken, onder andere door General Fusion uit Canada, dat ook in Nederland wordt gepropageerd. Veel van de problemen die met ITER moeten worden overkomen, spelen ook een rol bij deze initiatieven. De meeste experts zijn het er over eens dat de kans op succes bij dit soort kleinere pogingen kleiner zijn dan die bij ITER.

Problemen met fusie

Wat zijn dan de problemen met kernfusie?

• De technologie is nog lang niet onder de knie – niet bij ITER en niet bij andere pogingen. De tijdslijn voor successen blijft verschuiven en er zijn nog grote problemen die moeten worden overwonnen (voldoende efficiënt tritium-broeden, langdurige fusie-reactie in stand houden, omgang met enorme hoeveelheden radioactief afval);
• De kosten van een commerciële fusie-reactor zullen enorm hoog zijn door de technische complexiteit. Dat betekent dat ze alleen gebouwd kunnen worden door zeer kapitaalkrachtige instanties;
• Om uit de kosten te kunnen komen, moeten fusie-reactoren gecentraliseerd een hoop energie opwekken. Dat betekent sterke centralisatie van het energiesysteem, en dus centralisatie van macht;
• Vóór grofweg 2070 hoeven we er zeker niet mee te rekenen. Dat betekent dat fusie-energie geen enkele rol speelt bij urgente klimaatactie. Tegen de tijd dat kernfusie een rol kan spelen, zullen we al andere oplossingen hebben;

Het alternatief – een efficiënt energiesysteem gebaseerd op 100% hernieuwbare energiebronnen die de fusie-energie van de zon gebruiken – wordt nu al opgebouwd en kan voor 2050 realiteit zijn, is minder afhankelijk van machtsconcentraties en gecompliceerde technologie, en hoogstwaarschijnlijk goedkoper. Kortom, kernfusie is vanuit natuurkundig oogpunt razend interessant, maar zal hoogstwaarschijnlijk nooit een rol van betekenis spelen in de energievoorziening.

Update augustus 2023