We zijn nog maar enkele jaren verwijderd van gecontroleerde kernfusie. Die lijkt de droomoplossing te bieden: veilig en geen radioactief afval. Onbeperkte energie zonder nadelen en zonder einde. Tot zover het goede nieuws.
Het slechte nieuws is dat we een halve eeuw geleden ook al op hetzelfde punt waren: enkele jaren van het doel verwijderd.
Die ‘enkele jaren’ schijnen een natuurconstante te zijn en naarmate de tijd vordert, schuiven ze mee op. Ze lijken tegenwoordig eerder te expanderen dan te krimpen. Dat is niet zo verwonderlijk: ons inzicht neemt toe en daarmee ons teugelloos optimisme af. Ik geloof dat hierin binnen de afzienbare toekomst weinig verandering zal komen. Die prognose baseer ik op de eigenschappen van het zogenaamde plasma1 waarmee een fusiereactor moet werken. Enkel in een plasma kunnen waterstofkernen voldoende energie hebben om een fusiereactie te laten plaats vinden.
Plasma is een lastige klant
Het is onmogelijk een gas (eigenlijk: een plasma) op een temperatuur van één miljoen graden Celsius in een materieel vat opgesloten te houden. Daarom gebruikt men hiervoor magnetische velden. Dat bleek niet zo eenvoudig als oorspronkelijk gedacht: plasma toont, boven op het primaire beeld dat we ervan hadden, een ‘fijnstructuur’. Dat ligt daaraan dat onze initiële voorstelling van een plasma te eenvoudig was. We hadden in ons oorspronkelijke model een aantal elementen (spin, resonanties etc.) niet in gecalculeerd. Nadat we de apparatuur daarvoor aangepast hadden– en aanzienlijk gecompliceerd –, ontdekten we een 'fijnstructuur‘, daarna een 'hyperfijnstructuur’. En zo verder...
Dat heeft akelige gevolgen: er ontsnapt – een klein beetje – energie, steeds minder en minder, maar toch. Bij een industriële installatie zou die ontsnappende energie ogenblikkelijk de apparatuur vernielen. Maar dat is momenteel niet eens onze grootste zorg. Dat verlies leidt er namelijk toe dat de fusiereactie niet in stand gehouden kan worden. En daar boksen we tegen op, nu al meer dan een halve eeuw.
En iedere keer vertellen de media, niet door storend inzicht gehinderd, ons met laaiend enthousiasme dat de volgende generatie apparatuur alle problemen gaat oplossen. Daar komen die “enkele jaren” vandaan. We maken ook echt vorderingen, maar langzaam en we zijn nog grootteordes van de echte doorbraak verwijderd, hoewel we om de paar weken met een nieuwe ‘doorbraak’ verrast worden. Tegenwoordig is er weer een enorme hype rond het duurste experiment dat in dit verband ooit werd opgezet: ITER (Latijn voor ‘weg’. Oorspronkelijk: International Thermonuclear Experimental Reactor) in het Provençaalse Cadarache, dat door een internationaal consortium, onder leiding van de EU, wordt gefinancierd. Hierbij zijn ze blijkbaar iets realistischer geworden. Ze willen tegen 2025 een waterstofplasma minstens 500 seconden in stand kunnen houden (dat kan eventueel lukken) en in 2035 de productie van 1 GWatt elektriciteit realiseren (dat is een ander paar mouwen). Het optimisme werkt aanstekelijk. Voor mij heeft dat project echter iets van de catastrofale F-35 (de Amerikaanse straaljager die alles zou moeten kunnen en nog altijd niet veel kan): een megalomane projectstructuur en –leiding, overweldigende professionele ‘communicatie’ etc. We zijn, ook bij ITER, al volop met de constructie bezig: de betonstructuur voor de tokamak (ringvormige reactor) staat er al (hier kunt u de werf bezichtigen). Er wordt evenwel nog naar een aantal cruciale onopgeloste problemen fundamenteel onderzoek verricht. Dat is uiteraard om onoplosbare problemen vragen. Maar we zien zoiets gebeuren bij meer en meer megalomane projecten – die dan ook aan de lopende band ‘crashen’: het schijnt de postmoderne mode te zijn. Ik wens uit de grond van mijn hart dat er een mirakel gebeurt dat mij in dit geval in het ongelijk stelt. Maar ik zou daar niet op wedden.
Op grond van de techniek vermoed ik dat de veel kleinschaliger (maar nog altijd 1 miljard euro kostende) Wendelstein 7-X - installatie van het Max Planckinstituut in Greifswald (Duitsland) dan nog meer kans heeft tot een soort doorbraak te komen. Daarvan horen we… zo goed als niets. De projectdirecteur, Prof. Thomas Klinger, is een soliede fysicus en heeft het niet zo op ‘communicatie en marketing’ begrepen. Ik vind dat ook goed zo: eerst ei leggen en dan kakelen. Maar dat is natuurlijke weer oubollige rechtlijnige kippenlogica.
Volgende beelden geven een idee van de complexiteit waarmee we kampen. Noteer de grillig verlopende, dikke koperen ‘spiraal’. Daarin moet een enorme elektrische stroomsterkte het magnetisch veld voor de ‘fles’ waarin het plasma opgesloten wordt opwekken.
Wendelstein 7-X - werf in februari 2016
Geplande beheersing van het plasma (geel) in Wendelstein 7-X: een Möbiusband
Als het lukt hebben we weer andere zorgen.
Maar ook als we een fusiereactie in gang kunnen krijgen en vooral houden, zijn de zorgen nog niet voorbij. We beweren dan wel dat we geen radioactief afval zullen produceren, maar er zullen massa’s radioactief tritium gevormd worden, waarschijnlijk meer dan we kunnen recycleren. We zullen het helium dat bij de fusiereactie gevormd wordt aan de reactor moeten onttrekken en verwerken. We moeten de gevormde warmte-energie uit de reactor kunnen afvoeren. Als koelmiddel wordt vloeibaar lithium voorgesteld: een vrij grillige, zelfs angstaanjagende substantie. Dat zijn vast geen kleinigheden. Ik zie hier wel geen onoverkomelijke hinderpalen, maar ingewikkeld wordt het in ieder geval en de ontwikkeling van de nodige processen en apparaten zal zeker tijd kosten.
De tot heden ongeziene stralingsintensiteit (de neutronenflux is ongeveer honderd keer hoger dan in onze huidige lichtwaterreactoren), die we tot hiertoe enkel konden observeren bij thermonucleaire explosies, zal haar eigen problemen meebrengen. We hebben hiermee geen enkele langdurige ervaring. Die straling zal er hoe dan ook toe leiden dat de apparatuur minstens na relatief korte tijd vervangen moet worden. Dat zal dan radioactief afval zijn, zonder meer te vergelijken met de bijproducten van onze huidige uraniumreactoren. Maar in het laatste geval hadden die minstens de handige vorm van brandstofstaven…
Die neutronenflux zal ons ook dwingen een volledig nieuwe metallurgie te ontwikkelen. Ook geen kleinigheid met snel en verzekerd succes.
Bovendien formeert de activistenscène zich al rond een aantal fantasiethema’s die ik hier niet wil bespreken omdat ze te bizar zijn, wat de media niet zal verhinderen ze te verspreiden en de mensen niet ze te geloven.
En nu?
Ik wil hiermee niet zeggen dat we geen fusieonderzoek moeten doen. Helemaal integendeel! Ik wil enkel waarschuwen voor het laaiend koploos enthousiasme waarop meestal afgronddiepe ontgoocheling en afkeer van het project volgen. We doen er in ieder geval goed aan om onze energietoekomst zonder fusie te plannen. Als het dan toch lukt, wat nog altijd tot de mogelijkheden behoort, is dat een geweldige extra meevaller.
Uw Dwarsligger
1 Plasma
Naast de drie aggregatietoestanden van de materie (vast, vloeibaar en gas) waarmee we vertrouwd zijn omdat ze in onze omgeving normaal voorkomen is er nog een vierde: plasma. Een plasma ontstaat als in een gas een deel van de deeltjes geïoniseerd zijn. Dat betekent dat ze nu niet meer elektrisch neutraal zijn, maar een lading hebben. Daardoor krijgt de substantie – soms bizarre – eigenschappen die we in geen van de andere aggregatietoestanden zien. Ze wordt bij voorbeeld een uitstekende elektrische geleider en kan door elektrische en magnetische velden worden beïnvloed. Het gedrag van een plasma is – onder andere – afhankelijk van de ionisatiegraad. Dat is de fractie van de deeltjes die geïoniseerd is. Reeds bij 1% ionisatie wordt een afwijkend gedrag merkbaar. Wij denken – op grond van redelijke aannamen – dat de binnenkant van de zon 100% geïoniseerd is. De zon is dan ook een werkende fusiereactor. Men kan een plasma uit een gas doen ontstaan door het tot een zeer hoge temperatuur (wat niets anders betekent dan een hoge kinetische energie per deeltje) te verhitten.
