Duurzame energie

Kernfusie-energie

Kernfusie wordt gezien als een duurzame energiebron, omdat de begingrondstoffen die nodig zijn voor de kernfusie, namelijk water en lithium, gemakkelijk te verkrijgen en nog duizenden tot miljoenen jaren voorradig zijn. Daarnaast komt er bij het samensmelten van atoomkernen geen koolstofdioxide vrij.

Wat is kernfusie?

Kernfusie is het fuseren (samensmelten) van lichte atoomkernen. Hierbij komt energie vrij die kernfusie-energie wordt genoemd.

Wanneer atomen van lichtere elementen op de juiste wijze worden samengebracht, wordt een zwaardere atoomkern gevormd. Tijdens deze reactie wordt ook een deel van de oorspronkelijke massa omgezet in energie..

Dit gebeurt volgens de beroemde theorie van Einstein:

E = m x c²

Waarbij:

E = energie
m = massa
c = snelheid van het licht

De energie die vrijkomt kan in de vorm van warmte worden omgezet naar elektriciteit. In de zon vindt een vergelijkbaar proces plaats.

Kernfusiereactie

In theorie heeft men voor het uitvoeren van een kernfusiereactie de volgende grondstoffen nodig:

Een deuteriumkern (waterstofatoom met 1 neutron)
Een tritiumkern (waterstofatoom met 2 neutronen)

Deuterium wordt verkregen uit water en tritium wordt verkregen uit een reactie met lithium, een element dat zich in de aardkorst bevindt. Lithium is een veel voorkomend materiaal en zit bijvoorbeeld in telefoonaccu’s.

Deuterium en tritium smelten samen onder invloed van een grote hoeveelheid kinetische energie en een zeer hoge temperatuur. Daarbij vormt een heliumkern, een neutron en een grote hoeveelheid energie. Hieronder wordt de reactie op atoomniveau gepresenteerd.

De energie die vrijkomt, is vermeld in MeV (Mega elektronvolt).

Feiten over kernfusie

Om een fusiereactie tot stand te brengen is er een temperatuur nodig van ten minste 15 miljoen graden Celsius. Net zo warm als de kern van de zon.
Om kernfusie echter effectief te laten zijn voor grootschalige energieopwekking is een temperatuur nodig van 200 miljoen graden Celsius.
Een glas water en zeer kleine hoeveelheid lithium heeft de potentie om evenveel kernfusie-energie op te wekken als het verbranden van ruim 60 liter benzine.
Om een gemiddelde Nederlander een heel leven lang te voorzien van energie heeft men slechts 15 gram tritium en 10 gram deuterium nodig. Deze kunnen worden verkregen uit 500 liter water en 35 gram lithium (ongeveer 5 middelgrote batterijen).
Om een kernfusiecentrale te bouwen die heel Nederland kan voorzien van energie (zo’n 12.000 MW) heeft men jaarlijks slechts 1800 kg deuterium en 2700 kg tritium nodig. Dat is gezamenlijk ongeveer evenveel als drie grote personenauto’s.
Er worden vele miljarden euro’s geïnvesteerd in onderzoek naar kernfusie energie

Voordelen kernfusie

Kernfusie-energie biedt een groot aantal voordelen ten opzichte van andere conventionele energiebronnen:

Geen uitstoot van broeikasgassen, zoals wel het geval is bij gas-, olie- en kolencentrales.
Vrijwel oneindige voorraad grondstoffen (water en lithium)
Enorme energieproductie (in theorie): 1 kilogram aan kernfusie materiaal kan net zoveel energie genereren als 10 miljoen kilogram fossiele brandstoffen
Veilig: hoewel er wel wordt gewerkt met radioactieve stoffen is een gevaarlijke kettingreactie (zoals in een reguliere kerncentrale) niet mogelijk. Er wordt maar weinig brandstof gebruikt en de fusiereactie dooft vanzelf uit als de reactor stilvalt.

Kernfusie-energie lijkt de perfecte energiebron: het is schoon, veilig en zorgt voor een vrijwel onbeperkte energievoorziening. Vooral dat laatste is op dit moment het probleem bij andere duurzame energiebronnen, zoals zon en wind: ze leveren te weinig energie en zijn daarom relatief duur. Kernfusie is in dat opzicht superieur aan alle energiebronnen.

Helaas zijn er op dit moment nog een groot aantal technische obstakels die kernfusie op dit moment nog niet geschikt maken voor commerciële energieproductie.

Nadelen kernfusie

Hoewel we in theorie al een kernfusiereactie kunnen uitvoeren om elektriciteit te produceren, is deze vorm van energie opwekken nog niet in staat om andere energiebronnen op grote schaal te vervangen.

Het grootste technische obstakel is om de atoomkernen deuterium en tritium succesvol en efficiënt te laten samensmelten. Daarvoor moeten er extreem hoge temperaturen gegenereerd worden. Dit kan alleen door middel van plasma (een extreem heet gas) die door een sterk magnetisch veld op zijn plaats wordt gehouden. Dit proces is niet eenvoudig en kost op dit moment bijna net zoveel energie als de energie die vrijkomt bij de kernfusiereactie zelf.

Daarnaast komen er hoge kosten kijken bij de bouw van de fusiereactor. Kosten die met de inefficiëntie van de fusiereactie nog niet kunnen worden terugverdiend.

Kortom, de kernfusiereactie moet veel efficiënter zodat commerciële toepassing van kernfusie interessant wordt. Om dit obstakel te overbruggen is er nog veel geld- en tijdrovend onderzoek nodig. Geld en tijd die mogelijk ook kan worden besteed aan de ontwikkeling van andere duurzame technieken, zoals zonne- en windenergie.

Nog meer obstakels

Indien de genoemde obstakels zouden worden overwonnen, kleven er ook nog twee andere nadelen aan kernfusie-energie waar rekening mee moet worden gehouden.

Radioactief afval: alleen de reactorwand in een kernfusiecentrale wordt langzaam radioactief door het vrijkomen van neutronen. Na de levensduur van de reactor (enkele tientallen jaren) moet deze veilig worden opgeslagen en ongeveer 100 jaar ‘afkoelen’. Bij reguliere kernenergie is er echter veel meer kernafval en is de levensduur duizend jaar of langer.
Efficiënte kernfusie-energie geeft toegang tot een vrijwel onbeperkte energievoorziening. De gevolgen hiervan zijn lastig in te schatten, maar zouden de machtsverhoudingen van landen, energieproducten en consumenten onderling sterk kunnen beïnvloeden.

Onderzoek en toekomst

Er wordt veel wetenschappelijk onderzoek gedaan naar de praktische toepassing van kernfusie. Een deel van obstakels die hierbij komen kijken, zijn opgelost.

De eerste grote wetenschappelijke kernfusiecentrale, JET (Joint European Taurus) levert een vermogen van 16 MW en heeft bewezen dat kernfusie op een kleine schaal mogelijk is. De volgende stap is om kernfusie per 2050 rendabel te maken voor de commerciële energiemarkt. ITER is de eerste grote stap om dit te bereiken:

ITER

In Zuid Frankrijk wordt op dit moment gewerkt aan een kernfusiecentrale (ITER) met een vermogen van 500 MW. Deze moet aantonen dat kernfusie-energie geschikt voor productie van elektriciteit op grote schaal. Het project is, afgezien van het International Space Station (ISS), het grootste wetenschappelijke onderzoeksproject ter wereld. De totale bouwkosten bedragen zo’n 14 miljard euro.

IFMIF

Naast ITER wordt er ook gebouwd aan een deeltjesversneller die nodig is voor onderzoek naar de materialen en grondstoffen die nodig zijn in fusiereactor.

DEMO

DEMO is een kernfusiecentrale van 2 GW die voort bouwt op ITER en IFMIF en moet dienen als de eerste kernfusiecentrale die geschikt is voor commercieel gebruik. Indien deze centrale succesvol is, kan commerciële toepassing van kernfusie worden uitgebreid. DEMO wordt op dit moment ontworpen en moet rond 2040 a 2045 in gebruik gaan.

Meer informatie

Meer informatie over kernfusie-energie vindt men op de Engelstalige site: Culham Centre for Fusion Energy en het Nederlandstalige DIFFER.

Waar ben je naar op zoek?