[Update] Overzicht kernfusie: De voor- en nadelen van fusie-energie

Kernfusie is in potentie een veilige, schone en zeer krachtigere energietechniek. Sinds de jaren vijftig wordt er onderzoek gedaan naar mogelijkheden om de beloftes van fusie-energie waar te maken. In deze overzichtspost de actuele stand van de techniek en een beschouwing van de voor- en nadelen van fusie.

Update 16 december 2013 (Oorspronkelijk gepubliceerd op 26 juni 2012):

Robuuste supergeleidende kabels voor ITER/kernfusie

Na het mooie nieuws over de pyrolyse centrale nog een aansprekende innovatie uit Twente: ‘Universiteit Twente levert cruciale technologie voor supergeleiding in fusiereactor’ (UTwente.nl). Een kernfusie-reactor, zoals de in aanbouw zijn de ITER (hieronder beschreven), is voor een belangrijk deel een enorme elektromagneet. Er is namelijk een zeer sterk magneetveld nodig om het fusieplasma in goede banen te leiden. Dergelijk sterke magneetvelden zijn nagenoeg alleen met supergeleiders op te wekken.

Door de Lorentzkracht ontstaan er in een fusiereactor enorme spanningen, ook in de kabels zelf. Deze kabels vertonen hun supergeleidende eigenschappen enkel bij zeer lage temperaturen en de spanningen zorgen dat de temperatuur in het supergeleider-materiaal (niobium-tin) op loopt. Dit kan er voor zorgen dat de supergeleiding wegvalt. Als dat gebeurt ondervinden de stromen die het magneetveld opwekken plotseling wel weerstand en loopt de temperatuur nog sneller op, vaak met schade als gevolg.

De onderzoeksgroep voor supergeleiding aan de Universiteit Twente heeft nu een slimme manier gevonden om de supergeleidende kabels zo te vervlechten dat de krachten het best verdeeld worden en de kabels zo min mogelijk opwarmen en slijten. Dit komt de betrouwbaarheid van toekomstige kernfusie-centrales zeer ten goede.

Update 9 oktober 2013 (Oorspronkelijk gepubliceerd op 26 juni 2012):

Voor het eerst positieve energie-output voor kernfusie

In de Amerikaanse National Ignition Facility (NIF, heironder in detail beschreven) is een mooie mijlpaal bereikt. Voor het eerst leverde een kernfusie-reactie meer energie dan deze consumeerde (BBC). Weliswaar werd deze doorbraak gemeten over de effectieve energie-input: In de NIF wordt een balletje waterstof bestookt met lasers en puur de balans van het laserlicht en de energie die de daaropvolgende fusie-reactie leverde was positief.

Over het gehele systeem gezien kost het dus nog steeds meer energie om de fusie-reactie te starten dan er na de reactie te oogsten valt. Toch is het een mooie stap op weg naar echte kernfusie, het is een goede indicatie dat er door opschaling en optimalisatie uiteindelijk daadwerkelijk energie gewonnen kan worden met deze benadering van kernfusie.

//Einde update.

Alles over Kernfusie

– Natuurkundige basisprincipes fusie-energie
– Technische benaderingen voor kernfusie
Magnetische insluiting: Fusie-energie in een continu proces
Compressie met lasers: Kernfusie doormiddel van implosies
Koude fusie: Kernfusie bij kamertemperatuur?
Voordelen van kernfusie
Nadelen van kernfusie
Mogelijkheden voor kernfusie in Nederland
Conclusie: Complex & duur maar interessant

Natuurkundige basis: Hoe werkt fusie-energie?

Einstein’s beroemde formule E=mcrelateert massa aan energie; waar massa verdwijnt komt energie vrij. Bij kernfusie smelten twee lichte atomen samen tot een zwaarder element, het nieuwe atoom is iets lichter dan de twee originele deeltjes. De verdwenen massa is omgezet in energie.

Onze zon bestaat voornamelijk uit waterstofgas (het lichtste element met atoomnummer 1), onder hoge druk ontstaan door fusiereacties heliumatomen (atoomnummer 2). Via deze weg levert de zon de energie voor al het leven op aarde. Oudere sterren hebben de meeste waterstof al opgebruikt en gaan door met het fuseren van steeds zwaardere atomen tot het al materiaal is omgezet tot ijzer (atoomnummer 26).

Bij het fuseren van elementen zwaarder dan ijzer neemt de gecombineerde massa juist weer toe. Een dergelijke reactie kost dus energie. Kernfissie (kernsplijting) is is de omgekeerde reactie, hierbij levert het splijten van zware atomen energie op (het werkingsprincipe van conventionele kerncentrales).

Technische benaderingen voor kernfusie

Kernfusie is geen kettingreactie, om energie te leveren moeten voortdurend vrij extreme condities in stand gehouden worden. Onder normale omstandigheden stoten atomen elkaar af, pas bij zeer hoge druk en/of temperatuur bewegen de deeltjes zo snel dat de afstoting overwonnen kan worden. In de sterren worden de elementen door de zwaartekracht zeer dicht op elkaar geperst, hierbij ontstaat een gas van geladen deeltjes (een plasma).

Op aarde is de zwaartekracht veel kleiner, om hier toch een plasma met de juiste voorwaarden op te wekken wordt er gewerkt met deuterium en tritium, isotopen van waterstof die relatief makkelijk samensmelten. Het gebrek aan druk wordt gecompenseerd door de temperatuur extreem hoog op te voeren; tot ± 150 miljoen graden, ongeveer tien keer heter dan de kern van de zon.

Geen enkel materiaal kan dergelijke hitte aan, de grootste moeilijkheid zit hem dan ook in het insluiten van het plasma. Om de enorme energie die voortkomt uit de fusie-reactie nuttig te kunnen gebruiken moet deze worden over gedragen naar bijvoorbeeld een stoomturbine, zonder dat het plasma in contact komt met structurele onderdelen.

Magnetische insluiting: Kernfusie in een continu proces

Magnetische velden kunnen elektrisch geladen deeltjes beïnvloeden (Wiki: Lorentzkracht). Daar het plasma bestaat uit geladen waterstofkernen is het mogelijk om de deeltjes met magneten in een stabiele cirkelbaan rond te laten zweven. De magneetvelden leveren meteen ook (een deel van) de energie voor de fusiereactie, de magneten moeten daarom zeer sterk zijn en uiterst precies werken. In het ITER project (testreactor in Frankrijk voor internationaal fusie-onderzoek) zal naar schatting een derde van de kosten naar de (supergeleidende) magneten gaan.

Hieronder een video over het ITER project (bekijk ook deel 2).

 

Compressie met lasers: Fusie-energie doormiddel van implosies

De Verenigde Staten doen mee met ITER maar hebben met de National Ignition Facility (NIF) nog een ijzer in het vuur. In deze pilotplant wordt een minuscuul balletje gevuld met een mengsel van deuterium en tritium beschoten door een groot aantal zeer krachtige lasers. Door simultaan uit alle richtingen een laserpuls op het doel te richten implodeert het balletje en vind de fusie-reactie plaats. Om tot bruikbare energie te komen moet er zeer snel (tientallen keren per seconde) een nieuw balletje geplaatst kunnen worden en moeten de lasers even vaak de enorme kracht kunnen leveren. Tot op heden lukt dit hooguit enkele keren per dag.

Hieronder een fragment van BBC Horizon over de National Ignition Facility.

 

Koude fusie: Kernfusie bij kamertemperatuur?

Eind jaren tachtig claimden de elektrochemici Fleischmann en Pons een proces gevonden te hebben dat fusie-energie mogelijk maakt onder veel mildere condities, wellicht zelfs bij kamertemperatuur. Helaas bleken de resultaten niet goed reproduceerbaar. Toch zijn er sindsdien buiten de ‘serieuze wetenschap’ verscheidene anderen geweest die ook claimen koude fusie gerealiseerd te hebben.

Het onderzoeksveld is omgeven met complottheorieën en het is dan ook niet eenvoudig om er controleerbare info over te vinden. Desalniettemin willen we graag weten wat er nu wel en niet mogelijk is, en waarom. Hier komen we nog eens op terug.

Update 2 november 2012:

Inmiddels heeft Watt is Duurzaam in een stuk over de Energy Catalizer van Andrea Rossi het fenomeen koude fusie (of liever: anomalous heat effects) meer in detail behandeld. Geintresseerd? Klik dan: Andrea Rossi en zijn E-CAT. Koude kernfusie of (on)verklaarbare warmte

Voordelen van kernfusie

+ Nagenoeg oneindige energie
Met een kleine hoeveelheid brandstof levert fusie enorme hoeveelheden energie (± 250 kg per jaar per GW). Ongeveer 0.03% van het water in de oceanen is ‘zwaar water‘, deuterium is er dus genoeg. Tritium is onstabiel en komt in de natuur niet voor maar kan relatief eenvoudig gemaakt worden uit Lithium. Voor de komende duizend jaar is er genoeg ‘makkelijke’ brandstof beschikbaar en in die tijd lukt het vast om ook reactoren te ontwerpen die werken met gewone waterstof.

 + Geen afval, geen schadelijke emissies
Het enige product van fusie is helium, een inert en onschadelijk gas dat veel gebruikt wordt als koelmiddel. Onder invloed van de fusiereactie wordt de reactor zelf een beetje radioactief maar het materiaal kan al binnen honderd jaar weer veilig hergebruikt worden.

+ Continu beschikbaar
Een energiecentrale op basis van kernfusie kan continu elektrische energie leveren en heeft dus geen externe energieopslag nodig. Een groot voordeel ten opzichte van bijvoorbeeld wind- en zonne-energie.

Nadelen van kernfusie

– Zeer complex
Het is niet eenvoudig om met kernfusie bruikbare energie op te wekken. Het eerste prototype dat energie aan het net zal leveren is op zijn vroegst klaar in 2033 en ook dat is dan nog steeds vooral een experimentele centrale.

– Lastig te onderhouden
Met alle precisie-apparatuur die bloot staan aan zowel ongekend hoge als lage temperaturen is de kans groot dat er af en toe zaken gerepareerd moeten worden. De bovengenoemde radioactiviteit levert niet zozeer een afvalprobleem maar maakt het op de korte termijn weldegelijk gevaarlijk. Onderhoud aan de fusiecentrale zal dan ook met op afstand bestuurbaar gereedschap moeten geschieden.

– Niet goedkoop
Aan alle technologie hangt een stevig prijskaartje en ook een uitontwikkelde centrale gaat hooguit enkele tientallen jaren mee. Het is nog zeer onzeker of kernfusiecentrales over twintig jaar mogelijk zijn maar zelfs als het lukt dan is het zeer de vraag of fusie ooit rendabel wordt. De eerste schattingen gaan er vanuit dat fusie rond het prijspeil van huidige kolencentrales kan opereren, de kans is groot dat andere schone vormen van energie in de komende twintig jaar veel goedkoper worden.

Mogelijkheden voor kernfusie in Nederland

Kernfusie is op dit moment eerst en vooral een belangrijk onderzoeksterrein waaruit heel veel nieuwe en bruikbare kennis uit naar voren komt en zal komen. Elke zichzelf respecterende ‘kenniseconomie’ doet er goed aan de ontwikkelingen scherp te volgen en actief bij te dragen aan het onderzoek.

Wanneer fusie commercieel haalbaar wordt is er in Nederland zeker ruimte voor enkele  kernfusie centrales, deze zouden op een schone manier een aanzienlijk deel van de basislast kunnen leveren.

Conclusie: Complex & duur maar interessant

Verscheidene onderzoeksprojecten hebben door de jaren heen veel kennis opgeleverd, bruikbare energie is echter nog altijd ver weg. Fusie werd voorheen wellicht gezien als dé eindoplossing voor het energieprobleem. Zoals het er nu uitziet wordt het echter hooguit een onderdeel binnen een gevarieerde energiemix.

Tegen de tijd dat kernfusie beschikbaar komt zal moeten blijken of fusie-centrales rendabel te exploiteren zijn. De kans is groot dat minstens zo schone technieken zich veel sneller ontwikkelen en dat het energieprobleem geen probleem meer is op het moment dat fusie energie zijn eigen barrières heeft overwonnen.

ImageCredit: gun4hire @ sxc.hu

You may also like...