Invloed van kernfusie op de energietransitie
De Zon laat ons zien wat onze toekomst zal zijn voor de energietransitie waar we op dit moment middenin zitten. Die toekomst bestaat niet uit windmolens en kerncentrales, maar uit kernfusie.
Een gecontroleerd kernfusie proces van de Zon nabouwen
De Zon versmelt protonen (p) in Helium (2He4). Op de Aarde laten we ons inspireren door de Zon en probeert de wetenschap dit al vele tientallen jaren na te doen. Dat heeft de hele wereld, en dus ook Europa tot nu toe vele tientallen miljarden Euro’s gekost. Zo is in Zuid-Frankrijk in 2013 de constructie van het International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) complex begonnen. Dit project werd oorspronkelijk ingeschat op 6 miljard Euro voordat het in staat zou zijn om niet commerciële toepasbare kernfusie toe te passen. Anno 2024 wordt dit project geschat op 22 tot zelfs 65 miljard Euro om het ooit af te maken. Ook Nieuw-Zeeland, Zuid-Korea, Japan, China, Duitsland en de US zijn aan het experimenteren. Maar er zijn ook kernfusie ‘startups’. Even ter vergelijk: Het Internationale Ruimte Station heeft €125 miljard Euro gekost, en de CERN Large Hadron Collider (LHC) heeft 7½ miljard Euro gekost.
De kosten zijn hoog daar de technologie die gebruikt wordt complex is. Weet wel dat de kernfusiemachines zelf niet echt groot zijn. De diameter van zo’n machine zit tussen de 3 en 10 meter.
De mensen en de natuur op Aarde wachten erop
Het belang is groot om door te gaan met wetenschappelijk onderzoek t.a.v. gecontroleerde kernfusie op de Aarde. Kernfusie heeft in vergelijk met kernsplitsing alleen maar voordelen:
- De grondstoffen zijn bijna onbeperkt op de Aarde aanwezig.
- Er is nauwelijks radioactief afval en dus is het veiliger voor de mens en de natuur.
- Er is geen CO2 uitstoot.
Kortom het kan zeker een grote bijdrage leveren aan de energietransitie, maar tegelijk moeten we er totaal niet op wachten nu, wat het duurt nog zeker tot ver na het jaar 2050 voordat de mens is staat is om de kernfusie in het zonsinwendige op commerciële basis na te bouwen in een machine.
Het aanstaande Lithium tekort
In de experimentele fusiereactoren die er op de wereld zijn wordt effectief van een van beide fusieprocessen gebruikt gemaakt:
- Deuterium (1H2) en Lithium (3Li6) worden omgezet in Helium (2He4). Hier is minstens 15 miljoen graden voor nodig. Weet daarbij dat er slechts 1/10 gram Deuterium en 3/10 gram Lithium nodig is om een Nederlander voor een jaar voldoende energie te geven om door het leven te gaan.
- Deuterium (1H2) en Tritium (1H3) worden omgezet in Helium (2He4). Hier is minstens 39 miljoen graden voor nodig. Tritium heeft een halfwaardetijd van 12 jaar en moet na de productie buiten de fusiereactor direct gebruikt worden.
Er is dus een enorme hoeveelheid energie nodig om deeltjes te laten fuseren. Anderzijds is er heel weinig nodig om commercieel energie te gaan produceren. Deuterium kun je daarbij maken uit water (H2O) en daar is genoeg van op de wereld. Uit een liter zeewater kun je net zoveel energie halen als uit 300 liter benzine. Er is naar schatting voor 60 miljard jaar aan Deuterium aanwezig in de oceanen.
Noot: Er is ook Tritium (1H3) nodig, maar dat ontstaat door fusie van Lithium met neutronen. En de neutronen komen ook vrij in het tussenliggende proces.
Het addertje onder het gras is dat er Lithium (6Li) nodig is als een soort katalysator voor deze kernfusie. Dat is nu geen probleem maar als deze technologie in de toekomst onder de knie is, dan is er meer Lithium nodig dan dat er uit de Lithium mijnen gehaald kan worden. Een aantal landen gaan daar heel rijk van worden. 51% van de Lithium komt op dit moment uit Australië en 25% uit Chili en 13% uit China. Maar tegelijk zal het tekort gaan groeien. Lithium zit ook in planetoïden. Dat heeft zeker potentie voor over honderd jaar, want de mensheid is op dit moment nog lang niet in staat om commerciële mijnbouw op een planetoïde uit te voeren.
Los daarvan wordt Lithium gedolven met open mijnbouw. Het verwoest het landschap en dus de natuur. De biodiversiteit zal daardoor kleiner worden.
Opstarten is vervuilend
Voor het kernfusie proces is er een temperatuur nodig van minstens 15 miljoen graden. Dat is in die grote Zon geen probleem, maar in zo’n machine op de Aarde wel. Ten eerste smelt zelfs diamant als het warmer wordt dan 2500 graden, dus je moet het ijle gas van de wand afhouden en dus ergens opsluiten. Ten tweede houdt dit proces zichzelf in stand, maar je moet het wel opstarten. Dat doe je door met kernsplitsing te beginnen en die is niet schoon en milieuvriendelijk. Maar goed, als de kernfusiemachine commercieel aantrekkelijk gaat worden, dan duurt dit uiterlijk maar kort en vele malen korter dan wat er nu in onze kerncentrales gebeurt.
Waar staan we nu?
De beste resultaten zijn te vinden in Zuid-Korea, waar de ‘Korea Superconducting Tokamak Advanced Research’ (KSTAR) 102 seconden operationeel is geweest, waarvan 48 seconden op een temperatuur van 100 miljoen graden in februari 2024. Het laatste record van een Tokamak type machine was een operationele duur van 8 seconden in 2023 door de Wendelstein 7-X machine in Duitsland). De bedoeling is dat het proces in de toekomst eindeloos lang door kan gaan, dan alleen dat de machine zo nu en dan onderhoud nodig zal hebben.
Er zijn twee soorten opsluitingen van dat extreme maar ijle gas in de machine. Of het wordt in bedwang gehouden door extreem sterke magneten, of het wordt op zijn plaats gehouden door inertiële opsluiting, waaronder een grote hoeveelheid lasers die alles in bedwang houden. Door experimenteren op de wereld zal over een jaar of 10 wel duidelijk worden welk mechanisme commercieel gezien het aantrekkelijkst is om ‘energie uit kernfusie’ te verkrijgen. Vooralsnog lijkt het daarnaast dat het Tritium proces voordelen heeft boven het Lithium proces.
Kernfusie heeft dus de toekomst in de toekomst. Het levert overwegend schone energie. Het wordt voor de energietransitie een echte ‘game changer’.
