De heilige relikwieën van de Heilige Stoel
Slechts 48 km buiten Boston, in een rustig industriegebied, werken ingenieurs aan een revolutionaire machine die ontworpen is om de energie van de sterren na te bootsen. Als dit lukt, kan het de weg vrijmaken voor vrijwel onbeperkte, schone elektriciteit in de VS in de komende tien jaar. De kern van het project is een donutvormig apparaat dat wordt gebouwd door Commonwealth Fusion Systems. Volgens de wetenschappers zal deze machine zowel de heetste als de koudste plek in het zonnestelsel worden. Gesteund door meer dan 2 miljard dollar aan privéfinanciering heeft Commonwealth ook een ambitieus doel voor de toekomst gesteld: de bouw van 's werelds eerste fusie-energiecentrale in Virginia aan het begin van de jaren 2030.
Deze inspanning maakt deel uit van een decennialange zoektocht van wetenschappers om een oneindige bron van schone energie te creëren, die onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen volledig zou kunnen wegnemen en eindelijk een significante positieve impact zou kunnen hebben op de klimaatveranderingscrisis.
Kernfusie heeft een enorm potentieel voor een planeet die steeds meer geplaagd wordt door de milieugevolgen van het gebruik van fossiele brandstoffen, maar het kan een beetje intimiderend zijn om er meer over te weten te komen. Klik door voor een duidelijke uitleg van alles wat je moet weten over deze nieuwe vorm van kernenergie die in de toekomst wel eens de grootste energiebron ter wereld zou kunnen zijn.
Kernfusie is een poging van de mens om de krachtigste energie in ons universum te kopiëren: de zon. De zon is een natuurlijke fusiefabriek die bestaat uit een gigantische brandende plasmabal die elke seconde enkele honderden tonnen waterstof in helium samensmelt en zo een constante bron van warmte en energie vormt. Het door de mens ontwikkelde kernfusieproces probeert dezelfde energie na te bootsen die de zon aandrijft.
Kernfusie vindt plaats wanneer twee of meer atomen samensmelten tot één groter atoom. Dit proces produceert een enorme hoeveelheid energie in de vorm van warmte, omdat de twee deeltjes die worden samengedrukt elkaar van nature afstoten.
Kernfusie belooft een vrijwel onbeperkte vorm van energie die, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen, geen broeikasgassen uitstoot. Daarnaast produceert het, in tegenstelling tot de huidige kernsplijtingsenergie, geen langlevend radioactief afval. Stel je een wereld voor die draait op schone en koolstofvrije energie.
Terwijl kernfusie twee of meer atomen samenvoegt, doet kernsplijting het tegenovergestelde. Kernsplijting splitst een groter atoom in twee of meer kleinere atomen, waarvan de warmte ook wordt gebruikt om energie op te wekken.
Volgens het Amerikaanse Ministerie van Energie is kernenergie een energiebron zonder uitstoot, maar bij kernsplijting ontstaat radioactief afval dat veilig moet worden opgeborgen omdat het veiligheidsrisico's met zich meebrengt. Een voorbeeld hiervan zijn kernsmeltingen zoals in de reactoren van Fukushima en Tsjernobyl.
Kernfusie daarentegen brengt niet dezelfde veiligheidsrisico's met zich mee als kernsplijting en de materialen die ervoor worden gebruikt hebben een veel kortere halveringstijd, laat CNN weten.
De bronelementen voor kernfusie zijn voornamelijk deuterium en tritium - twee isotopen van waterstof. Deuterium is in overvloed aanwezig in zowel zoet als zout water, en het deuterium dat uit slechts 500 ml water kan worden gehaald, met een beetje tritium, zou een huis een jaar lang van energie kunnen voorzien, meldt CNN. Tritium daarentegen is zeldzamer en moeilijker te verkrijgen, hoewel het synthetisch kan worden gemaakt.
“In tegenstelling tot steenkool is er maar een kleine hoeveelheid waterstof nodig en waterstof is het meest overvloedig aanwezig in het universum”, verklaarde Julio Friedmann, hoofdwetenschapper bij Carbon Direct en voormalig hoofd energietechnoloog bij Lawrence Livermore, tegenover CNN. “Waterstof komt voor in water, dus het materiaal waarmee deze energie wordt opgewekt is vrijwel onbeperkt en het is schoon”.
De warmte die vrijkomt bij het samensmelten van twee atomen kan worden gebruikt om water op te warmen, stoom te genereren en turbines te laten draaien om energie op te wekken.
Het perfectioneren van kernfusie zou de mensheid kunnen redden van de klimaatveranderingscrisis, die we zelf hebben veroorzaakt door ons overmatig gebruik van fossiele brandstoffen. Het opschonen van onze energiebronnen zou hopelijk de fatale overstromingen, hongersnoodveroorzakende droogtes, woedende bosbranden, dodelijke hittegolven en andere rampzalige gevolgen van klimaatverandering, die steeds meer levens in gevaar brengen, verminderen.
Als we kernfusie onder de knie krijgen, is er geen reden waarom het niet een groot deel van de wereld van energie zou kunnen voorzien. Eén gram brandstof als energiebron kan naar verluidt het equivalent van acht ton olie in fusie-energie creëren - dat is een rendement van acht miljoen tegen één!
De grootste uitdaging bij het benutten van kernfusie-energie is om het lang genoeg vol te houden, zodat het elektriciteitsnet en verwarmingssystemen via energiecentrales van energie kan worden voorzien. De doorbraak in de VS is belangrijk, maar de opgewekte energie is nog steeds veel te kleinschalig om er zelfs maar één elektriciteitscentrale op te laten draaien.
“Het is ongeveer wat er nodig is om 10 ketels water te koken”, verteld Jeremy Chittenden, mededirecteur van het Centre for Inertial Fusion Studies aan het Imperial College in Londen aan CNN over de netto energiewinst in het baanbrekende experiment. “Om dat om te zetten in een energiecentrale, moeten we een grotere energiewinst boeken - we moeten substantieel meer winnen”.
In de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk en Europa zijn verschillende fusieprojecten in de maak. Frankrijk is de thuisbasis van het ITER-project (International Thermonuclear Experimental Reactor), waarbij 35 landen samenwerken aan het meest ambitieuze energieproject tot nu toe. De belangrijkste ITER-leden zijn China, de VS, de Europese Unie, Rusland, India, Japan en Zuid-Korea.
In het Verenigd Koninkrijk en het ITER-project in Frankrijk werken kernfusiewetenschappers met tokamaks, wat enorme donutvormige machines uitgerust met gigantische magneten zijn. Nadat een kleine hoeveelheid brandstof in de tokamak is gebracht, worden de magneten aangezet en wordt de temperatuur binnenin ontzettend hoog opgevoerd om plasma te creëren, dat vaak de vierde toestand van materie wordt genoemd. Plasma is materie die zo heet is dat de elektronen van de atomen worden losgerukt en een geïoniseerd gas vormen, zoals een soep die elektrisch geladen is, volgens het Plasma Science and Fusion Center.
Door de temperaturen in de tokamak op te voeren tot onpeilbaar hoge niveaus - het plasma moet minstens 150 miljoen graden Celsius bereiken - worden de deeltjes uit de brandstof gedwongen om te versmelten. Bij zo'n hoge temperatuur ontsnappen de neutronen aan het positief geladen plasma en raken een “deken” die de wanden van de tokamak bekleedt, waarbij hun kinetische energie als warmte wordt overgedragen.
Het is lastig te bevatten hoeveel hitte de tokamak moet bevatten, maar ter referentie: 150 miljoen graden Celsius is ongeveer 10 keer heter dan de kern van de zon. Hoe kan dat dan bestaan op aarde? Wetenschappers en ingenieurs op het gebied van fusie-energie hebben deze hindernis al op indrukwekkende wijze overwonnen door gigantische magneten te ontwerpen die een sterk magnetisch veld creëren dat de hitte vasthoudt. Elk ander materiaal zou gemakkelijk smelten.
In februari 2022 kondigden Britse wetenschappers aan dat ze in een tokamak een recordvermogen van 59 megajoule fusie-energie gedurende vijf seconden hadden opgewekt en in stand gehouden. Hoewel het slechts genoeg energie was om een huis een dag lang van stroom te voorzien en er meer energie in het proces ging dan eruit kwam, was het historisch omdat het bewees dat het inderdaad mogelijk was om kernfusie op aarde in stand te houden.
In mei 2022 meldde CNN dat de nieuwe tokamak van ITER 23.000 ton zal wegen, wat gelijk staat aan drie Eiffeltorens. De tokamak zal bestaan uit een miljoen onderdelen die weer uiteenvallen in 10 miljoen kleinere onderdelen en zal een aantal van de grootste magneten ooit bevatten, sommige met een diameter tot wel 24 meter.
De zoektocht naar fusie-energie begon in de jaren '30 met verschillende machines die in de loop van de decennia werden getest, maar het was de tokamak, gemaakt in de Sovjet-Unie, die in 1968 voor het eerst de hoge temperaturen en de insluitingsmethode wist te bereiken die nodig waren voor het plasma. De tokamak werd al snel de machine om na te maken en zelfs de naam komt uit het Russisch (het is een portmanteau voor “toroïdale magnetische opsluiting”).
De eerste demonstratie van kernfusie, de waterstofbom, werd uitgevoerd door het leger. De isotopen van de waterstoffusiereactie werden rond een gewone kernsplijtingsbom geplaatst waarvan de explosie de energie vrijgaf die nodig was voor het fusieproces. Omdat de bom ongeveer duizend keer zo krachtig was als een gewone atoombom, maakte dit het grote publiek minder enthousiast over onderzoek naar kernfusie.
Het beheren van de politieke, ideologische en economische relaties van de aangesloten landen is één van de grootste uitdagingen van ITER geweest, vooral rondom Rusland, een zaak die alleen maar erger is geworden met de invasie van Oekraïne. Rusland levert ITER veel geld en zelfs één van de grote magneten voor de nieuwe tokamak. Het hoofd communicatie van ITER, Laban Coblentz, legt uit: “ITER is echt een kind van de Koude Oorlog. Het is een doelbewuste samenwerking tussen landen die ideologisch niet bij elkaar horen, maar gewoon een gemeenschappelijk doel hebben voor een betere toekomst”.
In de Verenigde Staten vindt het meeste werk op het gebied van kernfusie plaats bij de National Ignition Facility, waar ze gebruik maken van een proces dat “thermonucleaire inertiële fusie” wordt genoemd. Volgens CNN vuren wetenschappers pellets met waterstofbrandstof in een reeks van 192 lasers, waardoor een reeks snelle, herhaalde explosies ontstaat met een snelheid van 50 keer per seconde.
Door middel van lasers kunnen wetenschappers het waterstofisotoopmengsel opwekken, waardoor de benodigde energie voor de fusie wordt geleverd en het insluitingsprobleem wordt omzeild. Dit proces levert echter een ander probleem op als het gaat om het beschermen van de lasers zelf tegen de fusiereactie.
Hoewel er nog een lange weg te gaan is voordat kernfusie commercieel beschikbaar is, was deze doorbraak de eerste keer dat wetenschappers konden aantonen dat ze meer energie kunnen creëren dan waarmee ze begonnen - een essentiële eigenschap voor een potentiële commerciële energiebron.
Experts moeten nu niet alleen uitzoeken hoe ze de energie op grotere schaal kunnen produceren, maar ook hoe ze de kosten van kernfusie kunnen verlagen zodat het rendabel wordt om het commercieel te gebruiken. Elk experiment kost enorm veel tijd en geld, en zelfs één dag vertraging bij ITER kost naar verluidt al meer dan 1 miljoen dollar.
De Europese Unie neemt naar verluidt 45% van de bouwkosten van ITER voor haar rekening en de andere lidstaten dragen naar schatting elk iets meer dan 9% bij. De bouw werd aanvankelijk geschat op 6,4 miljard dollar, maar dat bedrag is sindsdien al meer dan verdrievoudigd.
Het kan nog tientallen jaren duren voordat wetenschappers begrijpen hoe ze energie uit een fusiereactie langzaam genoeg kunnen vrijgeven om het als elektriciteit aan het elektriciteitsnet te kunnen leveren. Sommigen van ons zullen de mogelijkheid van fusie om onbeperkte hoeveelheden schone energie te produceren misschien niet eens meemaken, en wetenschappers zijn natuurlijk ook bezig met een race tegen klimaatverandering.
Het mondiale energieverbruik - waarvan naar verluidt 80% afkomstig is van fossiele brandstoffen - is sinds 1973 meer dan verdubbeld, en met een wereldbevolking die in 2022 de acht miljard overschreed, kan het tegen het einde van de eeuw zelfs verdrievoudigd zijn. Kernfusie kan de reddende kracht zijn die ons zal bevrijden van de gevolgen van fossiele brandstoffen zoals kolen, olie en gas, welke ons hebben meegesleurd in de diepste existentiële crisis van de mensheid.
Zie ook: Wat zijn de veiligste landen als er een derde wereldoorlog uitbreekt?
Bronnen: (Dummies) (CNN) (MIT Plasma Science and Fusion Center)
Eerste prototype kernfusiecentrale in aanbouw in de VS
Fusie-energie kan de toekomst van elektriciteit een nieuwe vorm geven
LIFESTYLE Lifestyle
Slechts 48 km buiten Boston, in een rustig industriegebied, werken ingenieurs aan een revolutionaire machine die ontworpen is om de energie van de sterren na te bootsen. Als dit lukt, kan het de weg vrijmaken voor vrijwel onbeperkte, schone elektriciteit in de VS in de komende tien jaar. De kern van het project is een donutvormig apparaat dat wordt gebouwd door Commonwealth Fusion Systems. Volgens de wetenschappers zal deze machine zowel de heetste als de koudste plek in het zonnestelsel worden. Gesteund door meer dan 2 miljard dollar aan privéfinanciering heeft Commonwealth ook een ambitieus doel voor de toekomst gesteld: de bouw van 's werelds eerste fusie-energiecentrale in Virginia aan het begin van de jaren 2030.
Deze inspanning maakt deel uit van een decennialange zoektocht van wetenschappers om een oneindige bron van schone energie te creëren, die onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen volledig zou kunnen wegnemen en eindelijk een significante positieve impact zou kunnen hebben op de klimaatveranderingscrisis.
Kernfusie heeft een enorm potentieel voor een planeet die steeds meer geplaagd wordt door de milieugevolgen van het gebruik van fossiele brandstoffen, maar het kan een beetje intimiderend zijn om er meer over te weten te komen. Klik door voor een duidelijke uitleg van alles wat je moet weten over deze nieuwe vorm van kernenergie die in de toekomst wel eens de grootste energiebron ter wereld zou kunnen zijn.