Fusie – de aas van het energiespel? Understand article

Vertaald door Roland Van Kerschaver en Erik Crampe. De vraag naar energie van onze samenleving neemt steeds toe, terwijl de voorraden fossiele brandstoffen - nog altijd onze voornaamste energiebron - afnemen. Chris Warrick van het European Fusion Development Agreement verklaart waarom onderzoek…

Fusieonderzoek: het terug
scheppen op aarde van de
soorten reacties die
waargenomen worden in de
zon

Het temmen van fusie – de energiebron van de zon – is lang een droom geweest, omdat het kan zorgen voor een onuitputtelijke voorraad energie op een voor het milieu verantwoorde wijze. Nu het bouwen van een nieuw fusietoestel met de grootte van een reactor, ITER, binnenkort start in Cadarache in het zuiden van Frankrijk, zal die droom een grote stap dichter bij komen.

Waarom onderzoek naar een nieuwe vorm van energieproduktie? Er wordt verwacht dat het energie verbruik wereldwijd zal verdubbelen in de volgende 40 jaar, en het uit de armoede optillen van ontwikkelingslanden zal zelfs nog een grotere toename vereisen. Nu wordt 80% van de energie opgewekt door het verbranden van fossiele brandstoffen – waarbij zowel algemene als klimaatsveranderingen en vervuiling worden veroorzaakt. Eens zullen de fossiele brandstoffen opgeraken; het eerste teken daarvan zal een afname zijn van de olieproductie en dat zou al relatief snel kunnen gebeuren. Er bestaat geen wondermiddel om dit probleem op te lossen. Integendeel, een berekend antwoord op de problemen waarmee we geconfronteerd worden zal een cocktail van benaderingen vereisen. Waarschijnlijk zal er daarbij gebruik gemaakt worden van een toename van het energierendement, een ontplooiing van meer hernieuwbare energiebronnen en van kernsplijting, en een door gedreven onderzoek naar nieuwe technologieën zoals fusie.

Het idee om netto energie te onttrekken aan de gecontroleerde fusiereacties is niet nieuw. De moeilijkheid was het opnieuw scheppen op de aarde van de soorten reacties die waargenomen worden in de zon. In tegenstelling met fissie (het uiteen vallen van zware kernen), vereist fusie van lichte kernen het bereiken en behouden van uitzonderlijke omstandigheden. De gekozen reactie in de experimenten op aarde is de fusie van deuterium en tritium – twee zware vormen van waterstof – waarbij helium en een neutron gevormd worden, die het overschot aan energie meevoeren. Dit vereist een hoge temperatuur (of energie) van de deeltjes in een super heet geïoniseerd gas – plasma genoemd- van ongeveer 150 miljoen graden celsius. Dit moet gepaard gaan met een voldoend hoge deeltjesdichtheid en een manier van opsluiting die het mogelijk maakt de energie binnen het plasma lang genoeg te bewaren zodat de fusiereactie in stand kan gehouden worden en daarbij meer energie vrij komt dan er nodig is om de brandstof op temperatuur te houden.

Een belangrijke onderscheid tussen fusie en fissie is dat fissie geen kettingreactie is. Dit maakt de fusie uit zichzelf veilig: er is geen mogelijkheid voor een ‘op hol geslagen’ reactie. Op eender welk ogenblik zijn er slechts enkele grammen brandstof aanwezig in het plasmavat, genoeg voor een brandtijd van een minuut. Om de reactie te stoppen, volstaat het de toevoer van brandstof te stoppen, net zoals in een gasoven.

Binnenkant van het JET vat,
met plasma binnenin (links)

In de loop van de laatste dertig jaar, werd het meeste onderzoek verricht met het zogenaamde tokamaktoestel. In een tokamak, is een plasma opgesloten in een ringvormig vacuumvat. Om het plasma te verwarmen tot 150 miljoen graden celsius, is er een doeltreffende manier nodig om het plasma weg te houden van de wanden van het vat. Aangezien het plasma bestaat uit geladen deeltjes (ionen en elektronen), wordt dit gedaan met sterke magnetische velden opgewekt door grote stroomvoerende spoelen rond het vat aangebracht.

Het opwarmen van het plasma tot zulke uiterst hoge temperaturen vereist verschillende bijkomende werkwijzen. Een van deze werkwijzen bestaat er in een sterke elektrische stroom door het plasma te sturen, terwijl bijkomende verwarmingsenergie geleverd wordt door uitwendig geïnjecteerde microgolven en bundels van neutrale deeltjes.

De JET tokamak

Er is aanzienlijke vooruitgang geboekt in tokamak experimenten overal ter wereld:hierbij staat het door Europa betaalde Joint European Tokamak (JET) toestel in het Culham Science Centre in het VK in het brandpunt van de Europese onderzoeksinspanningen. JET is het speerpunt van het Europees fusieonderzoek, en wordt ondersteund door veel kleinere tokamaks in laboratoria verspreid over het continent.

Het werkprogramma van de JET wordt georganiseerd en gecoördineerd door het EFDA (European Fusion Development Agreement). De Jet,de grootste tokamak in werking ter wereld en de enige die in staat is om gebruik te maken van beide fusiebrandstoffen (deuterium en tritium), heeft de noodzakelijke voorwaarden bereikt om in het plasma fusie te bekomen. Nog belangrijker is dat men met JET waardevolle dingen te weten gekomen is over het handhaven van de stabiliteit van het plasma en het opsluiten ervan in het licht van een hoop instabiliteiten van het plasma.

Het gemeten uitgangsvermogen van JET (ongeveer 16 megawatt) ligt dicht bij, maar is nog altijd lager dan het vermogen nodig om het plasma op de fusietemperatuur te houden (25 megawatt). Als er minder vermogen uitkomt dan er in gaat – is dat niet veelbelovend voor een energiecentrale! Schaalvergrotende studies steunende op gegevens van JET en kleinere fusie-experimenten leren ons echter dat een groter toestel deze balans zal doen omslaan zodat een veel groter fusie-vermogen aan de uitgang geproduceerd zal worden dan het vermogen nodig om het plasma te verhitten.

Het ITER fusie toestel

Er zijn nog verdere studies vereist vooral omtrent de technologieën die nodig zijn om een dergelijke fusie-energiecentrale veilig, betrouwbaar en economisch leefbaar te maken. De Internationale Tokamak Experimentele Reactor (ITER) zal zulk toestel zijn: een toetssteen voor de commerciële fusie-energiecentrale. ITER zal tweemaal zo groot zijn als JET, en zou meer dan 500 megawatt vermogen bij de fusie produceren – minstens tien maal het vermogen nodig om het plasma te verhitten.

Zoals z’n naam laat vermoeden, is ITER een internationaal project met zeven partners: de EU, Japan, VSA, Zuid-Korea, China, Rusland en India. Het ontwerp – waarbij gebruik gemaakt wordt van baanbrekende technologieën zoals supergeleidende spoelen en de nieuwste instrumenten – is reeds klaar en in juni 2005 is de beslissing genomen om het toestel te bouwen in Cadarache in het zuiden van Frankrijk. De voorbereidingen zijn nu zo ver gevorderd dat de bouw kan gestart worden zodat ITER in gebruik kan genomen worden in 2015.

Een probleem met deze technologie is het gebruik van radioactief tritium. In een toekomstige fusie-energiecentrale zal tritium bereid worden in een gesloten kringloop, in de reactor zelf, zodat gedurende de werking ervan geen transport van radioactief materiaal buiten de centrale vereist is en ook slechts een beperkte hoeveelheid aanwezig zal zijn in de centrale. Het binnenste van het plasmavat zal radioactief worden als de centrale in werking is omwille van de neutronen die vrijkomen bij het fusieproces. Als echter de gepaste materialen gebruikt worden, kunnen deze ofwel opgeslagen worden als niet-radioactief afval of gerecycleerd worden na een periode van ongeveer 100 jaar, omwille van hun relatieve kleine halfwaardetijd. In vergelijking met een splijtingsreactor is dit heel wat beter dan de vele duizenden jaren die nodig zijn vooraleer de bestanddelen daarvan veilig kunnen behandeld worden. Een deel van het fusie onderzoeksprogramma spitst zich toe op het ontwikkelen van deze materialen die minder lang radioactief afval meebrengen.

ITER is volstrekt nodig voor het testen en het samenvoegen van de verschillende technologieën op de schaal van een energiecentrale, en zou moeten aantonen dat het mogelijk is een fusie-energiecentrale te bouwen. Maar vooraleer een fusie-energiecentrale kan gebouwd worden, zal het noodzakelijk zijn gedurende jaren de materialen onder werkomstandigheden te testen, vooraleer een licentie kan verleend worden om er zeker van te zijn dat de centrale veilig en betrouwbaar is. Dit kan alleen gedaan worden in een bijzonder toestel dat het IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) genoemd wordt. ITER, die 5 biljoen euro zal kosten, en IFMIF, die iets minder dan 1 biljoen euro zal kosten, zijn de sleutel voor de ontwikkeling van fusie als een degelijk werkende energiebron. Alhoewel deze kosten hoog schijnen, zijn ze zeer klein op de schaal van de totale wereldmarkt voor energie die ongeveer 3 triljoen euro per jaar bedraagt.

De grote vraag is nu: “wanneer zal fusie elektriciteit produceren voor de wereld?”. Het parallel bouwen en in bedrijf stellen van ITER en IFMIF zou het mogelijk moeten maken dat het eerste prototype van een fusie-energiecentrale elektriciteit opwekt binnen 30 jaar. Alhoewel dit niet snel genoeg is om binnenkort de fossiele brandstoffen als energiebronnen te verdringen zal fusie mogelijk een zeer waardevolle extra energieoptie zijn in de tweede helft van de 21ste eeuw.

 EFDA en onderwijs

EFDA brochure voor
secundaire scholen

Veel van de fusie-onderzoeksinstellingen in het EFDA hebben hun eigen programma’s, die dikwijls lezingen omvatten en ook bezoeken van scholen aan onderzoeksinstellingen zoals JET. Inlichtingen over deze onderzoeksinstellingen zijn te raadplegen op de website van EFDA.

Binnen het kader van het EIROforum, neemt EFDA deel aan Science in School, het Science on Stage festival en andere projecten in verband met onderwijs en de bevordering van de wetenschap.

EFDA heeft een brochure van een 60 bladzijden bestemd voor secundaire scholen ‘Energie, motor van jouw wereld”, die een brede inleiding geeft op de wereld van de energie. Het handelt over de manier waarop we energie verbruiken in het dagelijks leven, waar ze vandaan komt, en hoe we zullen omgaan met onze energiebehoeften in de toekomst. Suggestie voor discussies in het klaslokaal over energie zijn beschikbaar als een afzonderlijk, erbij horend werkblad.

Om een gratis gedrukte brochure te ontvangen in Nederlands of Engels, dient een email gestuurd te worden naar aline.duermaier@efda.org, waarbij naam, postadres en het aantal brochures dat u wilt (maximum vijf) vermeld dienen te worden. De brochure kan ook ingeladen worden in elektronische vorm op de EFDA website. Later op het jaar zal de brochure eveneens beschikbaar zijn in Spaans, Frans, Duits en Italiaans.

EFDA heeft nog ander opvoedkundig materiaal beschikbaar, waaronder een cd-rom, “Fusion, an energy option for the future”, en een algemene poster over fusie, die beiden kunnen aangevraagd worden via de website van EFDA. Deze website geeft ook informatie voor beginners en voor gevorderden over de fusie.

Download

Download this article as a PDF

Institution

EUROfusion

License

CC-BY-NC-ND