De race naar kernfusie is begonnen

Begin jaren zeventig was Rob Goldston nog een doctoraalstudent in de plasmafysica en begonnen de expereimenten met het produceren van energie uit kernfusie net de eerste resultaten op te leveren. Wat betreft bruikbaarheid was er nog een lange weg te gaan: “we hadden een enorm feest omdat we een duizendste van een joule aan energie hadden geproduceerd met een fusiereactie,” vertelde hij me. “Het was belachelijk eigenlijk, dat was zo'n minuscuul klein beetje energie.” Ter vergelijking: een 35-watt lampje gebruikt zo'n 35 joule per seconde.

Maar nu, veertig jaar later, zijn er wel degelijk vorderingen gemaakt. In een recent experiment in de Britse Joint European Torus (JET) reactor werd 20 miljoen joules geproduceerd. En uit de National Ignition Facility in California kwam deze maand het bericht dat er voor het eerst meer energie uit een reactie werd gehaald dan er nodig was om de de reactie op gang te brengen.

Het is duidelijk dat de wetenschap vandaag veel dichter bij het produceren van energie uit kernfusie is dan veertig jaar geleden. En hoewel de meeste grote openbare projecten nog decennia verwijderd zijn van een concurrerende positie in de markt, zijn er meerdere particuliere partijen die voorover in de race naar kernfusie gedoken zijn. Aangestoken door vooruitgang in de wetenschap en de bouwkunde en tientallen miljoenen dollars aan hoge risico high-tech investeringen durven ze hun geld erop in te zetten dat een marktwaardige reactor binnen tien jaar in zicht is.

“De vraag of je hele hete gassen kan dwingen om enorme hoeveelheden energie af te geven is naar mijn mening best wel duidelijk,” zegt Goldston. Na meer dan tien jaar aan het hoofd van Princeton's plasmafysicalab gestaan te hebben, en nog een paar jaar in het centrum van de kernfusiewetenschap, is zijn mening niet zonder gewicht – net als zijn conclusie: “Het kan.”

Fusie is in wezen het tegenovergestelde van de reactie die in huidige kern (splitsings-) reactoren gebruikt wordt. In een kernsplitsingsreactor of fissiereactor wordt een groot atoom, meestal uranium, instabiel gemaakt door het introduceren van een extra neutron. Hierdoor breekt het atoom als het ware op in lichtere atomen, waardoor energie vrijkomt in de vorm van neutronen en gammastraling en de nieuwe kleine atomen als afvalproducten achterblijven.

Kernfusie is juist het tegenovergestelde. In een fusiereactie worden twee atomen met elkaar versmolten om een zwaarder atoom te produceren.

In principe kan elke soort atomen met elkaar gefuseerd worden, maar in de praktijk gaat het bijna altijd om waterstofatomen omdat dat de lichtste atomen zijn. In een fusiereactor worden twee isotopen van waterstof, een deuterium atoom met één neutron en een tritiumatoom met twee neutronen, met elkaar versmolten. Het fusieproduct dat daaruit ontstaat is een isotoop van helium, helium-4, dat bestaat uit twee electronen en twee neutronen. Als je goed hebt opgelet, heb je misschien gemerkt dat er nu een neutron overblijft. Deze overgebleven neutron wordt weggeslingerd, waarbij enorm veel energie vrijkomt. Deze energie, in de vorm van warmte, is waar je naar op zoek bent – de warmte wordt in een centrale opgevangen en omgezet in schone, veilige energie met weinig tot geen afvalproducten.

Het probleem hierbij is dat er een sterke barrière is voordat atomen met elkaar willen fuseren. Hoewel er een erg sterke aantrekkingskracht uitgaat van de kern van de atomen, die de uiteindelijke reden is dat ze samen kunnen smelten, zorgt de electromagnetische kracht ervoor dat ze elkaar tegelijkertijd afstoten.

Om deze electromagnetische kracht te overwinnen, moeten atomen dicht genoeg bij elkaar komen om de aantrekkende sterke atoomkracht het van de afstotende electromagnetische kracht te laten winnen. Om die afstotende kracht te overwinnen, moet je de atomen met een enorme snelheid naar elkaar toe slingeren.

Om dat voor elkaar te krijgen is een ontstellend hoge temperatuur nodig. In de kern van de zon vindt kernfusie op natuurlijke wijze plaats, waar door de enorme druk van de zwaartekracht en de hoge temperatuur de atomen wild bewegen en op elkaar botsen. In een reactor is een nog hogere temperatuur nodig dan in de kern van de zon, vanaf zo'n 12 miljoen graden.

De fusiereactie vindt alleen plaats als de extreme temperatuur gehandhaafd wordt. Daarom is kernfusie, in contrast met kernsplitsing, relatief veilig: als de controle over de reactie verloren wordt, zakt de temperatuur en stopt het proces vanzelf.

Fusie is “schoon, veilig en duurzaam,” zegt Andrew Holland, energie- en climaatadviseur bij de American Security Project. “Het heeft alle voordelen van kernsplitsing, maar zonder de nadelen.” Met een badkuip vol water en een lithium laptopbatterij zou een fusiereactor dezelfde hoeveelheid energie kunnen produceren als 40 ton kolen.

Nu het CO2-niveau in de atmosfeer de 400 deeltjes per miljoen overstijgt en de fossiele brandstofvoorraad in recordtempo opgemaakt wordt, zou de ultieme belofte van fusie gerealiseerd kunnen worden als het kan concurreren met andere vervuilende energiebronnen – of nog beter: ze vervangen. Een aantal ambitieuze bedrijven, die in het vroege stadium van een technologische wedloop verwikkeld zitten, geloven dat dat kan.

De bedrijven verschillen onderling veel wat betreft de grootte van hun investeringen, hun aanpak van het fusieproces zelf, en hun mate van openheid. Onlangs waren bij een conferentie van Google “Solve for X” drie van zulke bedrijven in een vroeg stadium van de ontwikkeling van fusie aanwezig – waaronder de luchtvaart- en defensiegigant Skunk Works van Lockheed Martin, die onder het motto “energie voor iedereen” een presentatie gaf. De meeste bedrijven werken met een time frame van minder dan tien jaar. Ook aan publieke steun ontbreekt het niet: een voorstel om subsidie voor fusie te verhogen was dit jaar een grote winnaar in MIT’s Climate Co Lab, een poging om oplossingen voor het klimaatveranderingsprobleem globaal te crowdsourcen.

Eén van de meest geheimzinnige en best gefinancierde bedrijven is Tri-Alpha energy. Hun enige publicatie is een Powerpoint-presentatie, maar ze hebben wel meer dan 140 miljoen dollar verzameld van bedrijven en mensen als Goldman Sachs, medeoprichter van Microsoft Paul Allen en het Russische technologie financieringsbedrijf Rusnano.

“Om de een of andere manier vinden de rijken het interessant hoe Tri-Alpha zich presenteert” zegt Brian Wang, die als onderzoeksdirecteur bij Next Big Future de ontwikkelingen rond kernfusie op de voet volgt. Voor zover hij kan zien, lijkt de methode die het bedrijf wil gebruiken op die van het door de NASA en de Amerikaanse defensie gefinancierde Helion Energy, namelijk het op elkaar botsen van plasma en magnetische velden, maar uit het gepubliceerde paper blijkt volgens hem niet dat ze erg ver voor liggen op de concurrentie.

General Fusion in Vancouver, Canada is één van de bedrijven die bereid zijn om openheid te geven over hun werk – en om het te laten peer-reviewen door wetenschappers. Het bedrijf heeft tot dusver meer dan 33 miljoen dollar ingezameld uit een hele rees verschillende bronnen, waaronder de Canadese regering via een organisatie genaamd Sustainable Development Technology Canada.

Als het bij het bouwen van een kernfusiereactor ging om de coolheid, zou General Fusion waarschijnlijk met de prijs naar huis gaan. Ze stellen voor om een bol met rondbewegend vloeibaar metaal te nemen, dan plasma in de kolkende massa van materiaal te injecteren en vervolgens met een hele batterij aan zware stoomhamers precies tegelijk op de bol te rammen. Daardoor ontstaat een acoustische golf die enorme druk in de bol opbouwt, waardoor een fusiereactie optreedt.

“Het enige dat we eigenlijk doen is het toepassen van moderne industriële technologieën op een idee dat al bestond,” zegt Michael Delage, de vicedirecteur van General Fusion. In theorie bestond de aanpak van het bedrijf al sinds de jaren 70, het enige dat nog miste was een geraffineerd genoeg systeem om de tweehonderd hamers van honderd kilo op precies hetzelfde moment neer te laten komen. Het plan is om een hele reeks aan kleine generatoren te bouwen om de energie voor een kleine stad te produceren, in plaats van één gigantische centrale voor een hele regio. Maar het moet natuurlijk wel eerst lukken.

“Als we niet het lot een beetje tarten wat het financiële risico betreft, zal je nooit de grote winnaar worden,” zegt Rick Whittaker, vicedirecteur van Sustainable Technology Development Canada, dat bestaat om veelbelovende technologie over de “doodsvallei” van onderzoek en ontwikkeling naar het niveau van commercialisering te tillen. Het bedrijf leverde een derde van het investeringsgeld van General Fusion. Whittaker verwacht dat commercialisering van de reactor binnen handbereik ligt – rond 2020 zouden de kosten op de 3 tot 5 cent per kw/uur liggen, wat het in een goede concurrentiepositie met kolencentrales brengt.

Lawrenceville Plasma Physics, een kleine onderneming in New Jersey, heeft gekozen voor een ingewikkeldere, maar net zo openhartige route. In tegenstelling tot de gebruikelijke aanpak om deuterium en tritium (DT) als brandstof te gebruiken, gaat LPP voor een op waterstof en boron gebaseerde brandstof (pB11). Hoewel er een veel hogere temperatuur voor nodig is om waterstof en boron te fuseren, is de energie die uit de reactie komt geen warmte maar direct electriciteit, wat het proces veel efficiënter maakt.

“We zijn maar een minuscule operatie,” zegt Derrek Shannon van LPP. “We zijn belachelijk klein vergeleken met wat we willen bereiken.” Shannon zegt dat er maar een handvol werknemers zijn in het lab van LPP in New Jersey, en nog één werknemer elders. Ook het geld hebben ze niet in overvloed.

“We zijn maar een jaar verwijderd van ons doel, maar we hebben onze financiering vooraf nodig,” zegt Shannon. LPP publiceerde eerder een peer-reviewed rapport dat aangeeft dat ze temperaturen hebben weten te bereiken die hoog genoeg zijn voor pB11 fusie, wat op termijn kan leiden tot goedkopere alternatieve manieren van kernfusie.

Tot dusver heeft LPP een aantal kleine investeerders kunnen vinden. Eén van hen is Bob Fitzgerald, die in de zakenwereld werkzaam is maar altijd een fascinatie voor kernfusie heeft gehad. “Ik wilde investeren puur uit mijn eigen participatiedrang, ik wilde meedoen aan iets dat spannend is om te volgen.”

De aanpak van LPP is ondanks de schaarse investering een aantrekkelijk alternatief voor andere methoden.

“Als je een andere manier hebt om schone energie te produceren rond de 2 tot 10 cent per kw/u, zal je nog de wereld niet veranderen,” zegt Brian Wang. In dat prijsvlak zal fusie weliswaar kunnen concurreren met andere energiebronnen, maar zal het niet goedkoop genoeg zijn om investeringen in meer vuile energie te voorkomen. Nieuwe kolen- en oliecentrales zullen dus gebouwd blijven worden. “Alleen als een bedrijf als LPP de kosten omlaag kunnen krijgen naar 0.1 cent per kw/u kan je significante veranderingen verwachten.”

Als LPP in staat is om een reactor te ontwikkelen tegen een kwart of een vijfde van de prijs van vuile energie, denkt Fitzgerald dat iedereen met een brein puur door de markt zal overstappen. Het is een potentiële markt van onvoorstelbare waarde. “Zelfs al was de kans op succes maar één op drie, dan nog is de mogelijke winst zo geweldig dat ik nog mijn geld zou riskeren.”

Er is één grapje dat ik telkens bleef horen tijdens mijn onderzoek voor dit artikel, en hij is niet eens heel grappig. “Oh ja, kernfusie ligt nog maar twintig jaar in de toekomst.. En dat zal altijd zo blijven.” Leuk man.

De enige mogelijke giechel die het zou kunnen oproepen is van het type “funny because it's true”. Want na een halve eeuw aan onderzoek zijn de gigantische, miljarden verslindende publieke kernfusieprojecten zoals de National Ignition Facility in California, of het ITER project in Frankrijk waaraan 34 landen meewerken, nog steeds enkele tientallen jaren verwijderd van het op commerciële schaal produceren van fusie-energie.

De huidige particuliere markt in kernfusie is zowel een product als soms een slachtoffer van deze twee grote openbare publieke projecten.

“Het heeft zo'n twintig jaar gekost om ITER gefinancierd en opgestart te krijgen,” zegt Michael Delage van General Fusion, “maar als gevolg van deze gigantische investering hebben veel andere projecten en ideeën uit de jaren 60 en 70 veel minder tot geen enkele financiering kunnen krijgen.”

Het onderzoek van ITER richt zich vooral op een tokamak, een type reactor die is uitgevonden in Rusland in de laten jaren 60. “Toentertijd was gaf het veruit het beste resultaat,” zegt Delage, en dus trok het het leeuwendeel van het publieke onderzoeksgeld. “Het werd een soort politiek monster,” zegt Wang, een monster met momentum en financiering “ook al bleven ze maar tegen problemen aanlopen wat betreft de feitelijke oplevering ervan.” Iter zal waarschijnlijk operationeel zijn in 2020, maar zal in elk geval de eerste paar jaar geen energie op commerciële schaal kunnen leveren.

Rob Goldston was een jaar of tien geleden druk in de weer met het samenbrengen van door de Amerikaanse overheid gefinancierde workshops en denktanks met als doel om met innovatieve alternatieve concepten te komen voor de invulling van de techniek van kernfusie. Hoewel de workshops over het algemeen een succes waren, kreeg “geen van hen het soort resultaten van de grond die vanaf het begin in de tokomak te zien waren. Dat was frustrerend.” De geldkraan is dichtgedraaid. “De druk om ITER te financieren is alleen maar steeds hoger geworden.”

Maar het gebrek aan financiering voor de ideeën uit de workshops speelden wel een rol in het proces waarbij sommige in de private sector terecht kwamen. “Sommige van de ideeën waar de huidige bedrijven nu mee werken waren een product van die discussies,” zegt Goldston.

“Het is mogelijk dat uit de private alternatieve methoden een goedkopere manier van kernfusie zal komen dan waar wij mee bezig zijn,” zegt Goldston, “maar ik acht de kans niet heel groot.” Hij gelooft dat het waarschijnlijker is dat de DT-methode langzaamaan de kosten, de grootte en de complexiteit van reactors zal verminderen. Uiteindelijk zal de niet zo sexy, langzame vooruitgang van zorgvuldige wetenschappelijke vooruitgang volgens hem winnen.

Op de lange baan zal kernfusie schone energie in overvloed kunnen leveren, maar het zal waarschijnlijk niet de schade die we nu aan het veroorzaken zijn teniet kunnen doen. Het zal zeker niet de snelle fix zijn waar techno-optimisten lang op hebben gehoopt. De “lange baan”-werkelijkheid is lang niet zo spannend als het idee dat een handjevol wetenschappers in New Jersey op een doe-het-zelf-budget een apparaat ontwikkelen dat het energieprobleem van de hele wereld zal oplossen. Het is een verleidelijke fantasie, net plausibel genoeg om de investeerders als Bob Fitzgerald aan te trekken. Maar zoals we vaker zien met verleidelijke fantasieën zal het waarschijnlijk toch de beduidend minder coole, trage werkelijkheid zijn die de race wint.

@sroudman