Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Koreaanse wetenschappers hebben eind 2020 een kernfusierecord gevestigd: 20 seconden lang hielden ze het plasma in hun fusiereactor KSTAR boven de 100 miljoen graden. Cool. En nu? Vijf vragen over KSTAR.
Kernfusie, het is tegelijkertijd de motor van de zon en de sterren, en de minst bekende schone energiebron ter wereld. Wetenschappers proberen al decennia om waterstofkernen samen te laten smelten zoals dat in het hart van de zon gebeurt. Daarbij zou per kilo gefuseerd waterstof tot tien miljoen keer meer energie vrijkomen dan bij fossiele brandstoffen. En geen gram koolstofdioxide. Ook de hoeveelheid radioactief materiaal is veel kortlevender dan die van conventionele splijtingsreactoren.
Een schone energiebron met bijna onuitputtelijke brandstof klinkt ideaal. Helaas is fusie weerbarstig. Nog geen enkele fusiereactor heeft meer energie geleverd dan hij verbruikt. Brengt de Koreaanse kunstmatige zon KSTAR daar verandering in? KIJK vraagt het fusieonderzoeker Niek Lopes Cardozo van de TU Eindhoven.
Lees ook:
Hoe werkt kernfusie ook alweer?
In de zon is de combinatie van enorme druk en temperatuur genoeg om waterstofkernen samen te laten smelten tot helium. Die reactie produceert alle licht en warmte van de zon. In een tokamak-reactor (een Russisch acroniem voor torusvormige kamer met magneetspoelen eromheen) proberen we dat proces na te bootsen als duurzame energiebron.
De druk in de zon halen we op aarde niet, dus moet de temperatuur omhoog. Idealiter naar 150 miljoen graden Celsius, tien keer heter dan in het hart van de zon. De fusiebrandstof wordt in fusie-energiecentrales een mengsel van de zwaardere waterstofvarianten deuterium en tritium, die makkelijker fuseren dan het waterstof in de zon. Deuterium is vrij simpel te winnen uit zeewater; tritium niet, maar dat kun je in de fusiereactor kweken uit het lichte metaal lithium. Bij fusietemperaturen wordt de brandstof een plasma, een elektrisch geladen gas van atoomkernen en elektronen. Met een magneetveld houden we dat van de reactorwand af, zodat er een torus (donut) van plasma vrij in de vacuümkamer zweeft.
Wat voor record heeft KSTAR gevestigd?
De Koreaanse onderzoekers wisten de temperatuur in hun fusiereactor 20 seconden lang boven de 100 miljoen graden Celsius te houden. Als andere factoren zoals de dichtheid en warmtehuishouding op orde zijn, is die temperatuur genoeg om de fusiereactie te ontsteken. Toch is honderd miljoen graden an sich niet wereldschokkend. Zulke temperaturen zijn al in een flink aantal tokamaks gehaald. De grotere zoals de Europese JET-reactor kunnen zelfs tot 400 miljoen, al is 150 miljoen genoeg – de ideale reactietemperatuur voor de fusiereactie.
Bijzonder is dat het KSTAR-team dit 20 seconden heeft volgehouden. Zo laat het zien dat het de omstandigheden voor kernfusie langdurig in stand kan houden. Zulke stabiliteit is cruciaal voor toekomstige fusie-energiecentrales.
Hoe haalde KSTAR dit record en wat hebben we eraan?
Het record is te danken aan de supergeleidende magneetspoelen van KSTAR: die kunnen het magneetveld dat de hete brandstof bijeenhoudt onbeperkt lang in stand houden. KSTAR is een van de eerste reactoren met die techniek.
Er zijn nog maar een paar tokamaks met supergeleidende spoelen in de wereld: KSTAR, de Chinese EAST, en nu net het Japans-Europese experiment JT60-SA. Die laatste valt in de categorie van de Europese reactor JET (met de best presterende plasma’s ter wereld) en zal binnenkort records gaan breken.
Met dit experiment laat KSTAR ook zijn controle over zogenoemde interne transportbarrières zien. Dat zijn interne stromingspatronen in het plasma die turbulentie onderdrukken, waardoor nog minder warmte naar buiten lekt. Een heel interessante techniek om de prestaties van tokamaks te verbeteren.
Steekt KSTAR hiermee het internationale ITER-project voorbij?
ITER is het grootste kernfusie-experiment ter wereld. China, de EU, India, Japan, Korea, Rusland en de VS bouwen in de Franse Provence een dertig meter hoge en brede tokamak die als eerste meer hitte moet opwekken dan nodig is om zijn fusieplasma in stand te houden.
Formeel gezien kan KSTAR ITER nog niet voorbijsteken, want ITER werkt nog niet. Maar ook qua specs is dit werk relatief gezien peanuts vergeleken met ITER. Die is ontworpen om een nog hogere temperatuur te halen, voor 500 seconden of langer, bij hogere dichtheden (dus meer reacties) en een veel betere warmte-isolatie. Plus: ITER heeft nog andere doelen zoals het zelf kweken van een deel van de benodigde brandstof, waar KSTAR helemaal niets aan doet.
En wanneer leidt dit onderzoek tot fusiestroom?
Als de eerste generatie van commerciële fusiecentrales er zou kunnen zijn? 2070. Maar let wel, we weten nog niet eens of het überhaupt kan! Daarom doen we al deze experimenten.
ITER is ontworpen om te laten zien dat een fusieplasma meer hitte kan produceren dan nodig is om de reactie aan de gang te houden. Een experiment, dat nog geen hitte omzet in elektriciteit. Volgens de Roadmap – het gezamenlijke Europese onderzoeksplan – leren we uit ITER en andere experimenten genoeg om een demonstrator te kunnen bouwen. De verwachting is dat elke ITER-partner zijn eigen DEMO-centrale bouwt, die dan tegen het midden van de eeuw op het stroomnet komt. Wat er daarna gebeurt, is nog helemaal in de nevelen van de toekomst.
Bronnen: Phys.org, ScienceAlert
Beeld: National Research Council of Science & Technology