|
Het internationale kernfusieonderzoek heeft een nieuwe impuls gekregen
na de toezegging van de VS en China deel te nemen aan de nieuwe internationale
kernfusietestreactor ITER. Binnenkort valt het besluit waar de reactor
komt te staan. In het snelste scenario kan over veertig jaar de eerste
kernfusiereactor gereed zijn: veilige, schone en bijna onuitputtelijke
energie. 'Fusie zal er zijn wanneer de maatschappij dat nodig heeft.'
De werking van een tokamak lijkt op die van een moderne verbrandingsmotor,
zegt plasma-onderzoeker dr. Tony Donne over de torusvormige ring waarin
de kernfusie plaatsvindt. Je kunt een motor gewoon laten lopen, maar
hij wordt veel efficienter als je hem in real-time optimaliseert. Om
uiteindelijk zoveel mogelijk energie uit een tokamak te halen moet je
ook deze voortdurend bijsturen. Dus moet je goed weten wat er in het plasma
gebeurt. Donne is gespecialiseerd in plasmametingen, de zogeheten
diagnostiek, en voorzitter van de diagnostiekgroep voor de geplande
nieuwe fusiereactor ITER, de International Tokamak Experimental Reactor.
De werking van een tokamak is veel complexer dan het opereren van een grote
deeltjes-versneller, zoals bij het versnellerinstituut CERN in Geneve,
vertelt Donne. Een ingenieur vertelde me ooit dat hij was overgestapt
van het elementairedeeltjesonderzoek naar het kernfusieonderzoek,
omdat hij de technische uitdaging van fusiereactoren groter vond dan
die van deeltjesversnellers. Een tokamak kent vele subsystemen die
innig verstrengeld zijn. Een plasma gedraagt zich namelijk als een sterk
niet-lineair systeem. Temperatuur, stroom en magneetveld zijn sterk
aan elkaar gekoppeld. Wordt bijvoorbeeld het vermogen opgevoerd van
de reactor, dan gaat er een grotere stroom door het plasma lopen, die op
zijn beurt weer het magneetveld en de opsluiteigenschappen beinvloedt.
In een kernfusiereactor moeten de metingen daarom worden teruggekoppeld
voor een continue bijregeling van het plasma. Het plasma bepaalt zelf
de precieze turbulente structuren waarmee het door de tokamak stroomt.
Plasma's gedragen zich zeer turbulent. Nooit bereiken ze een rustig
evenwicht. Wel vormen zich allerlei structuren, die weliswaar klein
zijn ten opzichte van het totale plasma, maar die belangrijk zijn bij
het warmteverlies van een plasma. Toch is de warmtegeleiding van een
tokamakplasma, zelfs met de turbulentie, nog altijd slechter dan die
van piepschuim. Hoe turbulenter het plasma, hoe beter de menging, en
hoe slechter ook de plasmaopsluiting. 'Tegenwoordig kunnen we filmpjes
maken van die turbulentie.Zo zien we wat er op schalen van tientallen
microseconden en enkele centimeters gebeurt',zegt Donne.
Octopustentakels Donne geeft een rondleiding langs
de fusietestreactor Textor in het Duitse Julich, vlak over de Nederlands-Duitse
grens nabij Heerlen. Het meters hoge en brede apparaat heeft twee jaar
stilgestaan in verband met aanpassingen, maar is onlangs weer opgestart.
Textor is een Duits-Belgisch-Nederlands samenwerkingsproject. De
plasmakamer van de nieuwe fusiereactor ITER wordt ongeveer 3,5 maal
zo breed en acht maal zo hoog als deze Duitse kolos. Tussen de laatste voorbereidingen
door lopen we langs de torusvormige tokamakkamer en de meetapparaten.
Spoelen omringen de hele rondte van de tokamak. Zij houden het \par ultrahete
plasma met sterke magneetvelden van de wand vandaan. Een zesarmig transformatorjuk
omklemt als de tentakels van een octopus de ringvormige plasmakamer.
Een klein, doorzichtig venster biedt een inkijk in het inwendige van
de tokamak. Door het venster kan bijvoorbeeld een laserstraal worden
gestuurd om metingen te verrichten aan het dertig miljoen graden Celsius
hete plasma. Het plasma zelf is een ijle wolk van elektronen en ionen die
met grote snelheid rondjes draaien in de plasmakamer, waarbij ze steeds
de ringvormige magneetveldlijnen volgen. Zelfs de zon bereikt in haar
inwendige-- waar waterstofkernen fuseren tot helium en de zon van energie
voorzien -- niet zulke extreme temperaturen. Haar inwendige temperatuur
ligt een factor zeven tot tien lager. ‘Ook de krachten die op de toruswand
en de magneten kunnen werken zijn gigantisch’, zegt de in Duitsland werkzame
Nederlander Donné. ‘Toen de plasmastroom een keer uitviel, verplaatsten
de spoelen en het vacuümvat zich een centimeter. En dan gaat het om grote
massa’s diestevig zijn verankerd.’ Zo’n vijftien Nederlandse, 110
Duitse en tien Belgische onderzoekers werken samen aan één reactor
in Jülich. De Duitsers richten zich op de interactie tussen het plasma
en de wand, terwijl de Nederlanders die vanuit Nieuwegein zijn overgekomen
de transport- en opsluiteigenschappen van het plasma bestuderen. Allemaal
subonderzoek met als uiteindelijk doel commercieel haalbare kernfusie.
Overvloedig Het idee van kernfusie is simpel: breng
twee atoomkernen zo dicht bij elkaar dat ze fuseren, dat wil zeggen samensmelten.
Bij een fusiereactie ontstaan er meestal twee nieuwe deeltjes die samen
lichter zijn dan de twee uitgangskernen voor de reactie. De afname van
de totale massa gaat gepaard met een grote bewegingsenergie van de ontstane
fusieproducten. Massa is dan omgezet in energie volgens Einsteins formule
E=mc2. De bewegingsenergie verhit vervolgens water tot stoom. Een grote
dynamo zet daarna op de klassieke manier warmte-energie om in mechanische
bewegingsenergie en vervolgens in elektrische energie. En voilà, klaar
is de kernfusiecentrale die alle huishoudens van stroom voorziet. De
brandstoffen van het fusieproces zijn twee waterstofisotopen, deuterium
en tritium. Deuterium wordt eenvoudig uit zeewater gewonnen, tritium
kan gemaakt worden uit het overvloedig beschikbare metaal lithium,
bekend van de lithium-batterij. De brandstof is daarmee in overvloed
aanwezig en voor iedereen toegankelijk. De fusieproducten zijn het
onschadelijke helium en een hoogenergetisch neutron dat voor de noodzakelijke
energieomzetting wordt gebruikt. De energie is bovendien schoon: er
komen geen broeikasgassen vrij, en de brandstoffen en fusieproducten
zijn niet radioactief. De delen van de reactorstructuur die wel radioactief
worden door de bestraling met neutronen, zijn na zo’n vijftig tot honderd
jaar weer geschikt voor hergebruik. Na die afkoelperiode is het afval
qua radioactiviteit vergelijkbaar met de as van een kolencentrale:
zo’n tienduizend maal lager dan kernsplijtingsafval.
Bliksemflits Maar de fusiepraktijk is weerbarstig.
Twee atoomkernen kruipen niet zomaar dicht bij elkaar. Ze hebben allebei
een positieve lading, zodat ze elkaar afstoten. Om energie uit fusie
te winnen is daarom eerst veel, zeer veel energie nodig. In de praktijk
betekent dat temperaturen van meer dan honderd miljoen graden Celsius.
Bij deze bizar hoge temperaturen bevindt materie zich in een toestand
die plasma heet, ook wel de vierde aggregatietoestand genoemd naast
de fasen vast, vloeibaar en gas. Alledaagse plasma’s vinden we bijvoorbeeld
in een bliksemflits,in neonlichtreclame en uiteraard in de zon en de
sterren. De fysische en technische uitdagingen van kernfusie zijn enorm.
Hoe verhit je het plasma tot deze extreme temperaturen? Hoe sluit je een
geladen-deeltjessoep van honderd miljoen graden Celsius op? Welk materiaal
weerstaat deze verzengende hitte? Hoe maak je een zodanig plasma dat
het zo min mogelijk warmte verliest via de wanden? En hoe verricht je metingen
in die hitte? Stukje bij beetje hebben wetenschappers en ingenieurs
sinds eind jaren vijftig oplossingen uitgedokterd voor de talrijke
problemen. Magnetische opsluiting in een tokamak, een Russische uitvinding,
bleek zeer succesvol, zodat in de jaren zeventig en tachtig diverse landen
experimentele tokamakreactoren bouwden. De behaalde fusievermogens
zijn de afgelopen decennia sneller gegroeid dan bijvoorbeeld de groei
van de energie van deeltjesversnellers en de kloksnelheid van computerchips.
Technologische en wetenschappelijke vooruitgang in het fusieonderzoek
zijn aantoonbaar groot. In het afgelopen decennium is het fusieonderzoek
echter vertraagd door uitstel in de politieke besluitvorming over de
bouw van de nieuwe fusiereactor ITER.
Commercieel De plasmaonderzoeksgemeenschap verwacht
binnenkort eindelijk het verlossende jawoord voor de volgende stap
op weg naar commerciële kernfusie. Prof.dr. Niek Lopes Cardozo, hoofd
van het Nederlandse kernfusieonderzoek en werkzaam bij het FOM-instituut
voor plasmafysica (Rijnhuizen) in Nieuwegein: ‘Het eerste ITER-ontwerp
dateert al van 1988. We wachten nu al meer dan tien jaar tot de politiek
eindelijk een beslissing neemt.’ De bouw van de nieuwe kernfusiereactor
gaat vijf miljard euro kosten. ‘Dat lijkt duur’, zegt Lopes Cardozo,
‘maar het is ook weer niet zó duur. Een project als de Betuwelijn gaat nu
zo’n 4,5 miljard euro kosten om nog maar te zwijgen over de Joint Strike
Fighters, die Nederland aanschaft. De Nederlandse bijdrage aan ITER
is hoogstens een paar procent, omdat het een internationaal samenwerkingsproject
is.’ EUlanden betalen het leeuwendeel, zo’n 50 tot 60 %. Het overige deel
komt voor rekening van Canada, Japan, Rusland, China en de VS. Die laatste
twee landen hebben pas begin dit jaar aangegeven mee te doen aan ITER.
De VS waren in 1998 uit het internationale samenwerkingsproject gestapt,
maar hebben nu besloten toch weer mee te doen. China is voor het eerst van
de partij. De kosten zijn trouwens vergelijkbaar met die voor de bouw
van de nieuwe deeltjesversneller LHC (Large Hadron Collider) bij CERN
in Genève. En daar gaat het alleen om fundamenteel natuurkundig onderzoek.
‘Het lijkt wel of er minder vragen over de kosten worden gesteld als het
alleen gaat om fundamenteel onderzoek, dan over onderzoek dat zowel
toegepast als fundamenteel is, zoals kernfusie’, zegt natuurkundige
dr.ir. Marc Beurskens, een gepromoveerd fusieonderzoeker die tot voor
kort werkzaam was bij de grootste huidige fusiereactor, de Joint European
Torus (JET) in Engeland.
Fusievermogen ITER is het geplande voorportaal
voor commerciële kernfusie. Voornaamste doel is het aantonen van
een lange aaneengesloten periode van fusievermogen uit een plasma van
de waterstofisotopen deuterium en tritium. Het nieuwe fusieparadepaard
is ontworpen om tienmaal zoveel vermogen op te leveren als er wordt ingestopt
aan plasmaverhitting. Het geplande fusievermogen ligt rond de 500 MW,
ongeveer eenzesde van wat een standaard elektriciteitscentrale heden
ten dage aan thermisch vermogen nodig heeft om een gigawatt elektrisch
vermogen te produceren. Voor het opwekken van een gigawatt aan elektrisch
vermogen is ITER echter nog steeds te klein. Ruwweg neemt het fusievermogen
toe met het plasmavolume. Een tweemaal zo grote tokamak levert dus een
achtmaal zo hoog fusievermogen. ITER meet straks 24 m hoog bij 30 m breed.
Schaalvergroting biedt belangrijke voordelen bij een plasma: hoe groter
het plasma, hoe langer de tijdschalen en hoe minder snel je het plasma
moet bijsturen. De nieuwe reactor zal een aantal noviteiten bevatten.
Alhoewel twee kleine experimentele fusieopstellingen nu al supergeleidende
spoelen gebruiken, wordt ITER de eerste fusie-reactor van energiecentraleformaat
met supergeleidende spoelen. Die gaan ervoor zorgen dat het noodzakelijke
magneetveld langer in stand wordt gehouden. Zo komen straks in één
apparaat de hoogste en de laagste temperaturen op aarde broederlijk
bij elkaar: honderd miljoen graden Celsius in het plasma en een paar graden
boven het absolute nulpunt voor de supergeleidende spoelen. De kosten
van een fusiereactor zitten voor 30 tot 40 % in de supergeleidende spoelen.
Het zal de producent hiervan nog heel wat overuren kosten om zoveel supergeleidend
materiaal op tijd af te leveren voor deze megaopdracht. Een ander nieuw
aspect zit in de praktische energieomzetting. Huidige testreactoren
hebben nog nooit de omzetting van de bewegingsenergie van de vrijkomende
neutronen naar tot stoom verhit water getest. ITER gaat daarom voor het
eerst diverse mantelmodules testen, die voor deze omzetting zorgen.
Parallel aan het ITER-onderzoek zal bovendien een materiaalonderzoeksprogramma
lopen, gericht op het ontwikkelen van materialen die de enorme stroom
hoogenergetische neutronen, afkomstig van de fusiereacties, kunnen
weerstaan. Een andere eis aan dergelijke wandmaterialen is dat de radioactiviteit
die door de neutronenbestraling ontstaat, weer zo snel mogelijk verdwijnt.
Bovendien moeten de materialen van de wand hittebestendig zijn. De energie
die op de binnenwand valt, is gigantisch: zo’n 10 MW per m2. Omdat de binnenkant
van de tokamak langzaam radioactief wordt, zullen robots in plaats van
mensen alle benodigde reparatie- en onderhoudswerkzaamheden verrichten.
‘Nu al voeren robots bij JET 99 % van alle benodigde taken, zoals het vervangen
van koolstoftegels,uit’, zegt Beurskens. ‘Twee jaar geleden vervingen
robots al eens het hele interieur van JET. Remote handling
is een geheel eigen onderzoeksprogramma geworden.’ De radioactiviteit
van de binnenwand valt echter in het niet bij de radioactiviteit die een
kernsplijtingcentrale overhoudt.
Ohmse verhitting Het bereiken van hoge plasmatemperaturen
gebeurt door een combinatie van drie methoden. Allereerst via ohmse
verhitting. Het plasma fungeert zelf als secundaire wikkeling van een
transformator. Stroompulsen door de primaire wikkeling van de transformator
wekken namelijk een plasmastroom op in de als secundaire wikkeling gebruikte
tokamak. Aan de ene kant draagt deze plasmastroom bij aan het opsluitende
magneetveld, aan de andere kant zorgt de elektrische weerstand van het
plasma ook voor ohmse verhitting. Naarmate het plasma heter wordt, gaat
het echter steeds beter geleiden. Bovendien is een plasma bij een paar
miljoen graden Celsius een betere geleider dan koper bij kamertemperatuur.
Extra verhittingsmethoden zijn daarom noodzakelijk, zo realiseerden
fusieonderzoekers zich al eind jaren zestig. Een eerste additionele
verhitting komt van het inschieten van bundels neutraal deuterium of
tritium. Deze waterstofisotopen staan door botsingen energie af aan
het achtergrondplasma. Ten tweede worden elektromagnetische golven
in het plasma gestraald. Dit principe van verhitting is gelijk aan dat
van een magnetron. Tegenwoordig kan die extra verhitting ook lokaal
worden toegevoerd, wat voor het pptimaliseren van het plasma belangrijk
is. ‘Het feit dat de stroom door het plasma via een transformator tot stand
wordt gebracht, kent een fundamenteel nadeel’, legt de voorheen bij
JET werkzame natuurkundige Beurskens uit. ‘Voor het opwekken van een
stroom in het plasma moet de stroom door de primaire spoel in de tijd veranderen.
In normale toepassingen van een transformator gebeurt dat met een wisselstroom,
maar dat kan hier niet: op de toppen van de wisselstroom verandert de primaire
stroom eventjes niet, zodat de stroom door het plasma onmiddellijk zou
stoppen. Dat gebeurt in een fractie van een seconde. De stroom door het
plasma kan daarom alleen in stand gehouden worden zolang de stroom in
de primaire spoel stijgt. Bij het gebruik van alleen een transformator
is een tokamak-fusiereactor dus noodzakelijkerwijs een gepulste machine.
Tegenwoordig ontwikkelt men daarom ook andere technieken om de plasmastroom
in stand te houden, zodat een continu bedrijf mogelijk wordt, onder andere
radiofrequente golven en neutrale-bundelinjectie.’
Politiek De conventionele fusieroute zou over tien
jaar moeten leiden tot een voltooide ITER-reactor en over 25 jaar tot
een demonstratiereactor. De demonstratiereactor moet een fusievermogen
leveren van 2 GW, netto elektriciteit opleveren en een hoge betrouwbaarheid
van operatie kennen. Over veertig jaar is vervolgens een prototype commerciële
fusie-energiecentrale gepland met een netto elektriciteitsvermogen
van 1,5 GW. Uiteindelijk moeten deze stappen over vijftig jaar tot grootschalige
commerciële toepassing leiden. Er zijn ook plannen ontwikkeld voor
een snellere route tot commerciële fusie. ITER zou dan al enkele demonstratietests
moeten uitvoeren, en het prototype van de reactor zou dan een ander deel
van de demonstratietests kunnen doen. ‘Fusie zal er zijn wanneer de maatschappij
het nodig heeft’, zo zei het voormalige hoofd van het Russische fusieonderzoek
Lev Artsimovich dertig jaar geleden.
Als ITER wordt gebouwd, zijn er ineens veel meer ingenieurs en projectmanagers
nodig. ‘Dat heeft nog lang niet iedereen binnen de fusiegemeenschap
zich gerealiseerd’, zegt Lopes Cardozo. ’80 % van het budget gaat straks
naar de industrie en niet naar fundamentele onderzoekers. Dat is een
logische ontwikkeling. Maar we moeten wel fundamenteel onderzoek blijven
doen, want anders vertrekken wetenschappers en komt de fusie-expertise
in gevaar.’ Een vaak gehoord tegenargument is dat wetenschappers al
decennialang gouden bergen beloven voor commerciële kernfusie.
Lopes Cardozo ergert zich zichtbaar aan dit steeds terugkerende verwijt.
‘Het is gewoon onwaar. De in 1974 gestelde doelen van JET, bijvoorbeeld,
zijn steeds op tijd gehaald. De gerealiseerde fusievermogens zijn in
dertig jaar exponentieel gestegen. Maar de realisering van commerciële
kernfusie is nu eenmaal een project van de lange adem. Wetenschappers
en technici hebben het in de jaren negentig goed gedaan. Alleen politiek
is er vertraging ontstaan. Technisch gezien kan er over 25 jaar een prototype
staan. Maar als die er niet staat door politieke onwil, dan ligt de schuld
straks niet bij de wetenschappers en technici.’
TOKAMAK is ontwerp van Sacharov In essentie
ligt de enorme potentie van kernfusie verscholen in Einsteins beroemde
vergelijking E=mc2 uit 1905: een kleine hoeveelheid massa kan een enorme
hoeveelheid energie opleveren. In 1920 beredeneert astronoom Arthur
Eddington dat kernfusie van waterstof tot helium de energiebron van
de zon is. Eind jaren dertig wordt er voor het eerst gedacht aan aardse
kernfusie als energiebron. Aan het eind van de Tweede Wereldoorlog wordt
ook in Los Alamos, waar destijds de eerste atoombom werd ontwikkeld,
al intern gediscussieerd over energie uit fusie. Maar het zou tot 1958
duren voordat op de Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy in
Geneve het kernfusie-idee voor het eerst openbaar ter tafel komt. De
eerste belangrijke stap op weg naar de technische realisering van kernfusie
vindt plaats wanneer Russische onderzoekers in 1959 een technisch concept
ontwikkelen voor de magnetische opsluiting van een plasma. Ze noemen
hun ontwerp 'tokamak', Russisch voor toroidale magnetische kamer.
De eerste tokamakschetsen staan al in de gepubliceerde dagboeken van
Andrej Sacharov, de kernfysicus, latere dissident en Nobelprijswinnaar
voor de Vrede. Dit ontwerp vormt de basis van de meeste huidige fusiereactoren.
De deelnemers aan een conferentie in Novosibirsk denken in 1968 voor
het eerst serieus na over fusiereactorontwikkeling. Voor deze tijd
werkten de wetenschappers voornamelijk aan de fysica van plasma's.
Begin jaren zeventig start een concreet driestappenplan: een onderzoek
naar de wetenschappelijke, technische en commerciele haalbaarheid.
Zowel de VS als Europa, Japan en de Sovjet-Unie besluiten hierna hun eigen
tokamak te bouwen. In 1976 beginnen de VS met de bouw van hun TFTR-tokamak.
De Europeanen volgen in 1978 met Joint European Torus (JET) in Culham
(nabij Oxford), Engeland. In de jaren zeventig koppelen wetenschappers
voor het eerst de diverse plasmaparameters aan elkaar. Hiermee kunnen
ze behaalde fusievermogens voorspellen aan de hand van de ontwerpparameters
van de reactor. De jaren tachtig kenmerken zich globaal door de eerste
experimenten met grote tokamaks, onder andere in de VS, Europa, de Sovjet-Unie
en Japan. Tussen 1983 en 1992 ligt de eerste fase van de JET-operatie.
In 1987 bereiken de VS, de toenmalige Sovjet Unie, de EU en Japan het eerste
ITER-akkoord. Tot een definitief besluit komt het niet. Het oorspronkelijke
ontwerp wordt vervolgens afgezwakt tot minder ambitieuze doelen. Belangrijkste
ontwikkelingen in de jaren negentig zijn de technische realisering
van lokale verhitting en een lokaal begrip van de turbulente structuren
in een plasma. Beide maken chirurgische ingrepen in een plasma mogelijk,
wat noodzakelijk blijkt voor het optimaliseren van het sterk niet-lineaire
plasma. In 1991 realiseert JET de eerste gecontroleerde opwekking van
fusievermogen. In 1994 start JET haar tweede operatiefase met als hoogtepunt
het behalen van het wereldrecord fusievermogen in 1997: 16 MW gedurende
ruim een seconde met deuterium-tritiumreactie. JET is echter nog te
klein om meer energie op te leveren dan erin wordt gestopt. Er gaat nu 33
% meer energie in dan eruit komt. De Amerikaanse TFTR-reactor in Princeton
behaalt in 1994 10,7 MW fusievermogen. In 1998 trekken de VS zich terug
uit ITER, een dieptepunt in het internationale fusieonderzoek. Het
jaar 2003 moet een nieuw begin betekenen. De VS besluiten dat ze weer meedoen
aan ITER. Daarnaast geeft China aan dat het ook wil participeren. Halverwege
dit jaar moet het besluit vallen waar ITER wordt gebouwd. Vier plaatsen
zijn kandidaat: Cadarache in Zuid-Frankrijk, Vandellos nabij Barcelona
in Spanje,Rokkasho in Japan en Clarington in Canada. Het huidige ITER-ontwerp
dateert van 2001.
Aanvulling op wind- en zonne-energie Het fusieverhaal
met zijn schone energie en in overvloed aanwezige brandstof klinkt aanlokkelijk,
maar kunnen we niet toe met wind- en zonne-energie? Dr.ir. Mark-Tiele
Westra, persvoorlichter bij het Instituut voor Plasmafysica: ‘Die
vraag krijgen we vaak te horen. Het antwoord is dat we een energiemix nodig
hebben. Ook wij zijn erg voor wind- en zonne-energie, maar het is de vraag
of we het alleen daarmee redden. De verwachting is dat we rond 2100 wereldwijd
ongeveer drie tot vier keer zoveel energie gebruiken als we nu doen, vooral
ten gevolge van de bevolkingstoename en van de economische ontwikkeling
van landen als China en India. Bovendien staan klimaatverandering en
milieuschade, maar ook de afhankelijkheid van energieleveranties
uit het buitenland steeds hoger op de wereldwijde, politieke agenda.’
‘Er staat zo veel op het spel dat het lichtzinnig zou zijn om niet alle mogelijke
energiebronnen te ontwikkelen en in te zetten’, vervolgt Westra. ‘De
verwachte toename in het energieverbruik is zo groot dat dat lang niet
met alleen duurzame bronnen als zon, wind en biomassa gedekt kan worden.
Door fusie alleen ook niet trouwens. Ze hebben elkaar nodig. Fusie is
geschikt om de basisenergie te leveren en op die manier in een energiemix
de andere duurzame bronnen aan te vullen. Fusie-energie is dus beslist
geen concurrent van zonne- en windenergie. We moeten bovendien niet
vergeten dat de elektriciteit die we gebruiken ongeveer 30 % van ons totale
energieverbruik is. Dus zelfs al zouden de duurzame bronnen onze hele
elektriciteitsbehoefte dekken, dan nog moet 70 % van de energie op een
andere manier worden opgewekt.’ Westra: ‘Fusie bedient bovendien een
ander deel de energiemarkt: fusie-energie uit centrales van 1 of 2 GW
is geschikt als basisvoorziening in grote steden en in gebieden met veel
industrie. Een karakteristiek van de meeste duurzame energiebronnen
is dat de energie erg ‘uitgesmeerd’ is: om een 1-GW-centrale te vervangen
zijn 100 km2 zonnecellen (in West-Europa) of ongeveer 1500 windmolens
van 2 GW nodig. Soms is decentrale opwekking geen probleem, maar voor
andere toepassingen is een centrale grootschalige energieopwekking
handiger.’ Voor het aan de gang houden van een elektriciteitscentrale
van 1 GW is 2,3 miljard kilogram steenkool nodig of 1,8 miljard m3 gas.
Daarbij komt dan respectievelijk 7,2 en 3,6 miljard kilogram koolstofdioxide
vrij. Fusie zou toekunnen met honderd kilogram deuterium en honderdvijftig
kilogram tritium. De brandstof voor kernfusie kost nauwelijks iets,
maar dat wil niet zeggen dat de elektriciteit ook goedkoop wordt. Naar
verwachting zal de prijs van fusie-elektriciteit ongeveer twee- tot
driemaal de prijs van de huidige elektriciteit bedragen: tussen 0,05
en 0,10 euro per kilowattuur. Die kosten worden bepaald door de bouw van
de centrale, het gebruik tijdens de levensduur, de brandstof en de afbraak
van de fusiecentrale. De uiteindelijke kostprijs is vergelijkbaar
met de verwachte prijs voor elektriciteit uit zonne- en windenergie.
Kortom, fusie-energie wordt waarschijnlijk even duur als andere vormen
van schone energie. Maar het bestaat nog niet, dus precieze berekeningen
zijn onmogelijk. Wat kosten betreft kan momenteel niets concurreren
met gas en steenkool.
Meten aan ultraheet plasma Zowel vanuit praktisch
als vanuit fundamenteel oogpunt is het belangrijk te weten hoe een plasma
zich op microseconde- en millimeterschalen gedraagt. Die informatie
is nodig om het plasma voortdurend bij te sturen met lokale verhittingsmethoden.
Meten aan een ultraheet plasma gebeurt op twee manieren: passief en actief.
Bij de passieve methode wordt de straling gemeten die het plasma van zichzelf
uitzendt. De geladen plasmadeeltjes volgen voortdurend schroefvormige
banen rond magnetische veldlijnen en zenden daarbij straling uit. Hoe
hoger de plasmatemperatuur, hoe harder de deeltjes bewegen en hoe intenser
de uitgezonden straling. Bij de actieve methode wordt een laserbundel
het plasma ingestuurd. Als het licht vervolgens tegen een elektron botst,
wordt het verstrooid. De golflengte van het verstrooide licht hangt
af van de richting waarin het elektron beweegt ten opzichte van de laserstraal.
Dit is het Doppler-effect voor licht. Analoog zorgt dit effect er bij
geluid voor dat de toonhoogte van een naderende trein hoger is dan die
van een zich verwijderende trein. Bij het verstrooide laserlicht gebeurt
iets soortgelijks. Als de temperatuur laag is, bewegen de elektronen
niet hard en is het Doppler-effect gering. Hoe hoger de snelheden van
de elektronen, hoe groter het Doppler-effect en hoe meer de uitgezonden
golflengten verschillen. De golflengten van het verstrooide licht
zijn een maat voor de temperatuur. Daarnaast volgt uit deze methode ook
de elektronendichtheid. Hoe dichter de elektronen bij elkaar zitten,
hoe sterker de verstrooiing van de laserbundel. Een alternatieve actieve
methode gebruikt microgolf-straling in plaats van laserlicht.
|
![[menubar_home]](http://www.nrg-nl.com/images/menu/genbar.gif){kind=small}
![[MailBox]](http://www.nrg-nl.com/images/mailbox2.gif)