Maandag 30/03/2020

Sterren bouwen in een labo

Oneindig veel energie, voor iedereen, voor altijd. Dat is de belofte van kernfusie. Kan die na jarenlange mislukkingen dan toch uitkomen? Het lijkt er zowaar op.

De machine staat in Greifswald, een stad in het verre noordoosten van Duitsland. In de toeristische gids trekken de puntgevelhuizen de aandacht. Toni Kroos, een voetballer van Real Madrid, is er geboren. Net zoals de romantische schilder Caspar Friederich. Google zijn naam maar even, u kent zijn werken.

Wanneer er bezoekers stoppen in Greifswald, is het niet voor de huizen of de bekende koppen. Iedereen komt voor de machine in het Max Planck Instituut. Een verwrongen cirkelvormig vat, waar overal buizen, kabels en patrijspoorten aan vastzitten. Het lijkt meer een schroothoop dan een wetenschappelijk instrument.

Vorige winter, na negentien jaar bouwen, hebben onderzoekers van het instituut de grootste kernfusiereactor in zijn soort afgewerkt. De machine wordt de Wendelstein 7-X genoemd en heeft een diameter van 15 meter (zie kader). Na maanden testen is de opstart dichterbij dan ooit. Normaal deze maand nog.

Wat maakt de opstart van deze kernfusiereactor in een uithoek van Duitsland zo belangrijk dat de halve wetenschappelijke wereld er kwijlend op zit te wachten? Dat gereputeerde magazines zoals Time en Science er artikels van meerdere pagina's over schrijven? Gaat de W7-X straks echt de wereld veranderen?

Heilige graal

Over de hele wereldbol zijn momenteel kernfusiereactoren in aanbouw of klaar. De meerderheid wordt ontworpen door universiteiten of onderzoekscentra. Maar ook multinationals en start-ups werpen zich op kernfusie. In de VS heeft het defensieconcern Lockheed Martin er een volledige afdeling voor opgebouwd.

De meeste start-ups die werken rond kernfusie zijn dan misschien onbekend, ze hebben wel investeerders achter zich met klinkende namen in de technologiewereld: Bezos Expeditions met Jef Bezos van Amazon, Mithril Capital Management met Peter Thiel van PayPal of Vulcan met Paul Allen van Microsoft.

Het gaat dan ook om 'de heilige graal van de energie'. Kernfusie is een energiebron die zo goedkoop en zo eindeloos is, dat de technologie een breekpunt zou vormen in de menselijke geschiedenis. Een uitvinding die het leven en denken van iedereen - van gezinnen tot bedrijven en overheden - kan beïnvloeden.

Indien de mens in staat zou zijn om kernfusie mogelijk te maken, zou dit snel het einde betekenen van fossiele brandstoffen. Kernfusie kan zo immens veel energie opwekken dat niemand nog nood heeft aan olie, gas of steenkool. Wat het meteen een wonderoplossing maakt voor de klimaatverandering.

Tot zover de theorie. Want als het over de praktijk gaat, grappen wetenschappers niet voor niets: "Kernfusie is voor binnen dertig jaar - zoals we altijd hebben gezegd." Tot nu toe is geen enkele universiteit, multinational of start-up erin geslaagd een kernfusie langer dan 19 seconden te doen werken.

De kunst van een succesvolle kernfusiereactor bestaat erin een bol gas, plasma, te genereren en die vervolgens onder controle te houden bij temperaturen tot boven 150 miljoen graden. Pas bij dit soort alles verschroeiende hitte kunnen positief geladen atoomkernen naar elkaar toekomen. In normale omstandigheden stoten de atoomkernen elkaar af, zoals botsautootjes op de kermis, maar als de temperatuur hoog genoeg is, kunnen ze samensmelten. Het resultaat is kernfusie. De kerncentrales die we nu kennen, werken omgekeerd. Er wordt energie opgewekt dankzij de splijting van atomen.

Kernfusie mag dan wetenschappelijke hocus pocus lijken, het is ook een fenomeen waar we dagelijks mee geconfronteerd worden. Het is het proces dat er al vier miljard jaar voor zorgt dat de zon onze planeet verwarmt. In die zin komt kernfusie eigenlijk neer op het creëren van een minister op aarde, in een laboratorium. Meteen is ook duidelijk waarom het zo moeilijk is. En waarom de mogelijkheden van de technologie zo gigantisch groot zijn.

Vincent Massaut, die het onderzoek naar kernfusie in het Belgische nucleaire studiecentrum SCK in Mol leidt. "Het plasma bedwingen is een immens moeilijke opdracht. Toch ben ik ervan overtuigd dat het kan."

In theorie - alweer die belangrijke woorden - heeft kernfusie alleen maar voordelen. De energie die vrijkomt bij samenvoeging van een kilo waterstof (waarvoor de chemische elementen deuterium en tritium worden gecombineerd) komt overeen met de verbranding van liefst 20.000 ton steenkool. Wat ook belangrijk is: kernfusie is geen gevaarlijk proces. Er blijft geen langlevend radioactief afval achter.

Als we vandaag heel behoedzaam staan tegenover nucleaire technologie, dan heeft dat alles te maken met deze twee punten. De kernrampen in Tsjernobyl en Fukushima hebben de wereld de vernietigende kracht van het stralingsmonster getoond. Het kan miljoenensteden omvormen tot een woestenij.

Tegelijk zit ons land alleen al op 80.000 kubieke meter radioactief spul, dat bijna eeuwig moet afkoelen. Bij langlevend plutonium gaat het om 250.000 jaar. Hadden de oude Egyptenaren hun afval in de piramides gestopt, dan moest het daar nu nog altijd 245.000 jaar opgeborgen blijven.

Met kernfusie niets van dit alles? Vincent Massaut: "Het is vooral veiliger omdat er slechts met een paar gram brandstof wordt gewerkt. Die zijn wel ongelooflijk heet, maar tot een meltdown zal het nooit komen. Simpelweg omdat een gram brandstof niet op kan tegen een paar ton metalen omhulsel. Wanneer er iets misloopt en de twee met elkaar in contact komen, zal de brandstof 'verliezen' en afkoelen."

Bovendien: de chemische stoffen die kernfusie mogelijk maken, deuterium en tritium, zijn bijna ongelimiteerd aanwezig op aarde, aangezien ze in heel grote hoeveelheden te vinden zijn in de zouten in het zeewater. De huidige kerncentrales draaien op zeldzame stoffen, vaak uit conflictgebieden.

Doorbraak

Maar terug naar de vraag waarom de opstart van W7-X in Duitsland zo belangrijk is. Het gaat om de grootste 'stellarator' die ooit gebouwd is. In de wereld van de plasmafysica staan stellarators bekend als de buitenbeentjes van de fusiereactoren, omdat ze notoir moeilijk te bouwen zijn.

Slechts bij een handvol stellarators is men effectief begonnen aan de bouw. Nog minder zijn er uiteindelijk afgewerkt. De W7-X is een van de weinige die het hebben gehaald. Ook het Max Planck Instituut heeft een reeks problemen moeten overwinnen. Waaronder het failissement van een aantal contracteurs.

Het populairdere neefje van de stellarator, de tokamak, is veel wijder in gebruik. Daarvan zijn er momenteel een veertigtal operationeel, en er zijn er meer dan tweehonderd gebouwd door de jaren heen. Een tokamak is ook goedkoper en in het verleden hebben deze reactoren betere testresultaten opgeleverd dan de stellarators.

In de wetenschappelijke wereld groeit echter het idee dat als er een doorbraak komt, dat toch weleens met een stellarator kan zijn. De Nederlandse fysicus Marc Beurskens, die sinds juni bij het Max Planck Instituut werkt, is overtuigd. "Dit apparaat zou op langere termijn de redding van kernfusie kunnen blijken. Hier in Duitsland gaan we ideeën testen die al veel te lang zijn blijven liggen", zegt hij in de Volkskrant.

Donut-reactor

Bij de tokamaks, die teruggaan op het denkwerk van de later als dissident en Nobelprijswinnaar bekend geworden Russische fysicus Andrej Sacharov, wordt het plasma onder bedwang gehouden in een cirkelvormig vat dat is omgeven door sterke elektromagneten. Door deze 'magnetische opsluiting' blijft het gloeiend hete plasma zweven en wordt het samengeperst, zeker als er stroom op wordt gezet.

In de jaren zestig heeft de Sovjet-Unie met succes tokamaks getest. Het principe is sindsdien overal gekopieerd. Het voordeel van deze techniek is de relatieve eenvoud. Het vat is mooi cirkelvormig, waardoor de constructie en het analyseren van wat er binnenin gaande is, een stuk gemakkelijker worden.

De keerzijde van tokamaks is dat ze instabiel zijn. Door de stroom die erin rondgaat, heeft het plasma de neiging om de wanden op te zoeken. Het gevolg is dat de reactor stilvalt en beschadigd wordt.

Hier komt de stellarator in het spel. Zonder te technisch te worden: het plasma in dit soort reactor wordt niet onder stroom gezet om stabiliteit te krijgen, maar om de as gedraaid. Het gevolg is wel dat de constructie veel ingewikkelder is. Om de verdraaiing van het plasma te verkrijgen is de reactor geen donut, maar een aaneenschakeling van peervormige tunnelelementen die telkens wat verder zijn gekanteld.

"Ik moet eerlijk bekennen dat ik zelf nog iedere dag moeite heb na te denken over zo'n totaal asymmetrisch, verdraaid systeem", zegt Marc Beurskens. Om het overzicht wat te bewaren, heeft de Nederlander op zijn bureau 3D-geprinte plasmamodellen van rood plastic liggen. Voor als hij het toch even niet meer weet.

Wat mogen we verwachten eens de W7-X op gang wordt gebracht? Veel. Maar ook niet alles. De eerste jaren zal alle aandacht gaan naar onderzoek rond de mogelijkheden van het verdraaide plasma. Pas als dat goed gaat, kan kernfusie overwogen worden. Het is niet de bedoeling dat er ooit elektriciteit wordt opgewekt. Het blijft een wetenschappelijk project. Greifswald moet niet hopen op gratis stroom.

Het zal sowieso nog een tijdje duren vooraleer de lamp in de woonkamer brandt dankzij kernfusie. Aan het eind van de rit is er vandaag nog altijd netto stroomverlies. Om de fusie op te starten is er namelijk meer energie nodig dan dat er uiteindelijk onttrokken kan worden.

Pervers effect

Wat believers ook geen deugd doet, is dat kernfusie nog heel duur is. En dat zorgt voor een pervers effect. Privébedrijven overschatten bewust hun vorderingen. Afgelopen zomer nog kwam Lockheed Martin plots vertellen dat het binnen tien jaar tanks kan uitrusten met een kernfusiereactor. Dit soort nieuws heeft meer te maken met marketing dan met wetenschap. Door op de feiten vooruit te lopen - geen enkele wetenschapper neemt de claim echt serieus - hoopt Lockheed Martin zo veel mogelijk investeerders te ronselen om het onderzoeksproject mee te financieren. De belofte van kernfusie wordt handig misbruikt. Want wie wil er de heilige graal mislopen?

2 miljard euro

Misschien nog de belangrijkste bijdrage die W7-X kan leveren, zijn proefresultaten voor zijn opvolgers. In de eerste plaats de ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) in Frankrijk. Een concern gevormd door een hele reeks westerse landen, waaronder België, werkt er aan een kernfusiereactor met een prijskaartje van 2 miljard euro. Tegen 2027 moet hij klaar zijn. Maar het ITER-project schiet heel moeizaam op. Door geldgebrek en juridische problemen wordt de startdatum almaar opgeschoven.

Op het gigantische constructieterrein in de bossen bij Cadarache in Zuid-Frankrijk zijn ondertussen wel al kantoren verrezen en ligt op een plaat beton van tientallen voetbalvelden groot het stalen fundament voor de reuzenreactor. Maar voor de rest blijft het wachten. Een aantal componenten is geleverd, met een 'uitzonderlijk vervoer'-karavaan vanuit Marseille. Ze staan geparkeerd in een constructiehal.

Als er ergens wetenschapsoptimisten rondlopen, dan moet het wel in de plasmafysica zijn. Massaut: "Eens de ITER afgewerkt raakt, kan het snel gaan. Ik verwacht de eerste doorbraken tegen 2030. Realistisch gezien zullen gezinnen en bedrijven ten laatste tegen 2050 elektriciteit krijgen dankzij kernfusie."

Kernfusie is voor binnen dertig jaar - zoals wetenschappers altijd hebben gezegd.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met De Morgen?

Tip hier onze journalisten


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234