Kernfusie blijft ver weg

In de jaren ’80 van de vorige eeuw lag de voorziene commerciële toepassing van kernfusie veertig jaar in de toekomst. Sindsdien is die stip op de horizon gelijk met het verstrijken van de tijd vooruitgeschoven. De laatste tijd grossieren de media echter in optimistische berichten over vooruitgang in China, Amerika en Europa. Anders dan dat deze doen vermoeden, is grote terughoudendheid geboden. Er zijn namelijk nog dermate grote obstakels te overwinnen dat het doel nog steeds niet in zicht is.

De traditionele routes naar kernfusie

Het besef groeit dat een emissievrij energiesysteem betrouwbaarder wordt met diversificatie van bronnen en dat alleen zon en wind niet voldoende zullen zijn. Kernenergie komt duidelijk in beeld en ook kernfusie wordt steeds vaker genoemd als nagenoeg onbeperkte bron van energie. Het eerste patent voor een fusiereactor dateert van 1946. Sindsdien is er veel vooruitgang geboekt, maar een reactor is er nog steeds niet. Voor de hoge temperaturen en lange opsluitingstijd vereist voor het fusieproces bleken zeer grote reactoren nodig.

Momenteel wordt in mondiaal verband ITER gebouwd, een enorm experiment waarvan de contouren al eind jaren ‘70 van de vorige eeuw zichtbaar waren. Daarin wordt het plasma waarin fusie plaatsvindt opgesloten met behulp van magneetvelden volgens het beproefde ‘tokamak’-ontwerp. ITER moet in 2036 operationeel zijn, met eerste fusiereacties in 2039, waarna in de jaren ’40 tritium gekweekt kan worden. Als dat laatste niet lukt is er onvoldoende brandstof om toekomstige fusiereactoren te voeden, dus ITER zal tot de laatste snik spannend blijven.

De volgende stap moet een demonstratiereactor zijn. Deze DEMO zal een complete fusiereactor moeten worden waarmee elektriciteit wordt opgewekt maar waarin ook materialen worden getest om de levensduur van een fusiereactor te verlengen. Als DEMO er komt zal de bouw op zijn vroegst tegen 2050 beginnen. Een commerciële reactor komt er op deze manier niet voor 2080 en weinigen geloven dat zulke fusiecentrales de competitie aankunnen met zon, wind, en de traditionele kernenergie.

Kernfusie kan ook bereikt worden door snelle samenpersing en verhitting van een klein plasmavolume. Deze methode heet ‘Inertial Confinement Fusion’ (ICF), waarbij een pellet gevuld met deuterium en tritium van alle kanten wordt beschoten met een groot aantal krachtige laserpulsen. Met deze technologie, die ook van militair belang is, wordt al meer dan vijftig jaar geëxperimenteerd. De Verenigde Staten leiden het veld met hun ‘National Ignition Facility’, hoewel China inmiddels ook grote stappen lijkt te zetten. Ondanks positieve persberichten zijn er ook hier enorme technische barrières te overwinnen en er is niets dat er op wijst dat ICF sneller tot een complete fusiereactor zal leiden dan ITER.

Nieuwkomers veranderen het speelveld

De urgentie van de energietransitie heeft de laatste jaren geleid tot een hausse van startups die veel kleinere fusiereactoren voorstellen. Een aantal ervan heeft aanzienlijk durfkapitaal weten te bemachtigen om (gedeeltelijk) nieuwe concepten te testen. Ook al is de kans van slagen volgens experts klein tot zeer klein, sterke competitie, veel geld en een nieuw elan geven een verse impuls aan het onderzoek.

Optimisme leidde in 2023 tot een zogenoemde power purchase agreement (een koopovereenkomst voor stroom) waarin Helion, een van de grootste startups, toezegt om 50 MW elektrisch vermogen aan Microsoft te leveren, en dat al in 2028. Een tienmaal grotere variant zou in de jaren 2030 het licht moeten zien. Een andere startup is CFS, die belooft in Virginia ‘by the early 2030’s’ een 400 MW-fusiecentrale te openen, een belofte die de gouverneur van Virginia de uitspraak “an historic moment for Virginia and the world at large” ontlokte.

De roep om kernfusie wordt verder versterkt door de energiebehoefte van artificial intelligence (AI). Een van de investeerders van Helion en CEO van Open AI, Sam Altman, rekent op een “energiedoorbraak” als kernfusie om de exponentiële groei van AI te kunnen voeden. Kernfusie heeft daardoor de wind flink in de zeilen.

Sommigen uit de traditionele fusiegemeenschap lijken hun aanvankelijke scepsis over de startups te hebben laten varen, vooral degenen die betrokken zijn geraakt bij publiek-private samenwerkingen met startups. Anderen niet, en die worden publiek vocaal. Zo publiceerde de Britse krant The Guardian op 22 januari een ingezonden brief van Luca Garzotti, een fysicus met een lange staat van dienst bij het fusielaboratorium in Culham. Titel: “Nuclear fusion: it’s time for a reality check”.

Hij reageerde op uitlatingen van de Britse minister van Energietransitie, Ed Milliband, die een week eerder een investeringsprogramma van £410 mln had bekendgemaakt om de ontwikkeling van kernfusie te versnellen. In een persbericht zei Milliband: “After scientists first theorised over 70 years ago that it could be possible, we are now within grasping distance of unlocking the power of the sun and providing families with secure, clean, unlimited energy”.

Sir Ian Chapman, als CEO van UKAEA verantwoordelijk voor het Britse fusieprogramma, verwelkomde deze beslissing, maar uitte zich iets voorzichtiger: “I am delighted by the strong support from government to delivering fusion as a safe, sustainable energy of the future, and to anchor this exciting new industry in the UK”. In een exuberante Royal Institution lezing, ‘The future of fusion – with the UKAEA’, beantwoordde hij de vraag wanneer fusie beschikbaar is met “When society needs it”, een citaat van Lev Artsimovich, een van de uitvinders van de tokamak. Als niet bij het eerbiedwaardige instituut passende marketing kwam er op het optreden overigens nogal wat kritiek.

Fusie is een kostbare aangelegenheid

ITER kost een slordige $50 mrd en kan geen elektriciteit produceren. Kosten lijken de grootste hinderpaal voor kernfusie. Startups zullen moeten aantonen dat bijvoorbeeld sterkere magneten kleinere machines mogelijk maken. Helaas zijn de eerste aanwijzingen er al dat ook hier schaalvergroting op de loer ligt, zoals Helion onlangs bekendmaakte. Niet alle ideeën zijn namelijk zo nieuw als beweerd, en een grote verhouding tussen volume en oppervlak is altijd gunstig vanwege kleinere verliezen.

Een belangrijkere reden om sceptisch te zijn is dat alle problemen in een klap moeten worden opgelost om de beloofde snelle commercialisering te halen. Voor sommige startups liggen omstandigheden die in ITER moeten worden gerealiseerd op het kritische pad, bijvoorbeeld om materialen te testen. Dat gaat nog vele jaren duren. 

Talrijke oude fysische, technische en economische vraagstukken moeten nog steeds worden opgelost. Zoals het bereiken van een stabiel plasma waarin meer energie wordt opgewekt dan verbruikt om de extreem hoge temperatuur te halen die nodig is voor een fusiereactie. Instabiliteiten die in alle magnetische opsluitingsmachines voorkomen kunnen ernstige schade toebrengen aan de installatie en de reactor voor lange tijd stilleggen. De reactorwand moet bestand zijn tegen extreme hitte en het bombardement met neutronen en in sommige concepten ook tegen mechanische stress door warmtepulsen. Snelle slijtage betekent de nekslag want reparatie is tijdrovend. Door gunstige materiaalkeuzes moet radioactiviteit geminimaliseerd worden, maar voor reparatie en onderhoud zullen hoe dan ook robots nodig zijn. Dan moet er voldoende tritium gekweekt worden uit lithium, behalve als fusie kan werken met andere kernreacties, maar die vragen nog veel extremere temperaturen.

Ook bij kernfusie zijn er veiligheidsaspecten: in een reactor zit een paar kilogram tritium en radioactieve stof dus verbreken van het vacuüm van het reactorvat zou een groot probleem betekenen. Verder is onduidelijk hoe helium (het fusieproduct) en vervuilingen die loskomen van de wand van het reactorvat en grote energieverliezen veroorzaken, effectief kunnen worden afgevoerd.

Vanwege alle voornoemde obstakels liet Stewart Zweben, veteraan bij vooraanstaande fusielaboratoria in de VS, onlangs in een artikel voor de APS getiteld ‘Dreams of Fusion’, een erg pessimistisch geluid horen: “It is unfortunately nearly certain that a commercially practical fusion reactor will never be made”. Zweben schat de kans op een succesvolle tokamak kleiner dan een op duizend. Hij noemt claims van startups die binnen tien jaar elektriciteit uit fusie beloven “deceitful, fraudulent, mistaken or delusional”. Hij geeft aan dat sommige betrokken wetenschappers zich daar bewust van moeten zijn omdat veel concepten hun oorsprong hebben in bekende teleurstellingen.

Zweben maakt terecht wel onderscheid met instituten die elk jaar subsidies ontvangen en dus successen moeten laten zien, maar die niet beloven dat binnen dertig jaar fusie commercieel wordt.

Vooralsnog is het onmogelijk om de voors en tegens van de (al dan niet) nieuwe concepten af te wegen. Wat het verkrijgen van een objectief beeld ook bemoeilijkt, is dat de agenda’s van de twee gemeenschappen naar elkaar zijn toegegroeid in de genoemde publiek-private samenwerking. Het is onwaarschijnlijk dat startups de prestaties van de grote tokamaks binnenkort zullen evenaren, en zelfs die zijn nog lang geen complete reactor. In 2018 beloofde Helion aan investeerders dat ze in 2021 een 50 MW-reactor aan de praat zouden hebben. Dat is niet gelukt, en anno 2025 zien ze dat een volgend experiment groter moet worden. Het lijkt erop dat de fysica niet volledig wordt begrepen en dat ook dit bedrijf de genoemde obstakels zal gaan tegenkomen.

Afsluitend

Vooralsnog zijn de barrières voor een commerciële toepassing van kernfusie dermate hoog, dat het nog tientallen jaren kan duren voordat een eerste commerciële reactor operationeel is. Het is daarom verstandiger om beschikbare financiële middelen aan andere energietechnieken te besteden. In het bijzonder gelden daarbij de volgende adviezen. Aan investeerders: fusie-startups passen alleen in een korte-termijnstrategie van verkopen na het bereiken van een mijlpaal. Aan hen die hopen dat fusie de klimaatverandering gaat helpen keren: denk vooral aan bewezen emissievrije bronnen, met name zon, wind en traditionele kernenergie. Aan hen die een mislukking zouden wegstrepen tegen waardevolle spin-offs: bij fusie is daar helaas nauwelijks kijk op.

Aan de andere kant, het grote perspectief van ongelimiteerde energie van de ‘zon op aarde’ zal waarschijnlijk altijd blijven fascineren – in die zin is kernfusie-onderzoek vergelijkbaar met bemande ruimtevaart. En, ja, een doorbraak kan niet voor 100% worden uitgesloten.