Innovatieve projecten met moderne supergeleiders zullen binnenkort gecontroleerde thermonucleaire fusie mogelijk maken, zeggen sommige optimisten. Experts voorspellen echter dat de praktische toepassing tientallen jaren zal duren.
Waarom is het zo moeilijk?
Fusion-energie wordt beschouwd als een potentiële energiebron voor de toekomst. Dit is de pure energie van het atoom. Maar wat is het en waarom is het zo moeilijk te bereiken? Om te beginnen moeten we het verschil begrijpen tussen klassieke kernsplijting en thermonucleaire fusie.
De splijting van het atoom vindt plaats wanneer radioactieve isotopen - uranium of plutonium - worden gesplitst en omgezet in andere zeer radioactieve isotopen, die vervolgens moeten worden begraven of gerecycled.
De fusiereactie bestaat uit het feit dat twee isotopen van waterstof - deuterium en tritium - samensmelten tot één geheel, waarbij niet-toxisch helium en één neutron worden gevormd, zonder radioactief afval te produceren.
Besturingsprobleem
Reacties dievoorkomen in de zon of in een waterstofbom - dit is thermonucleaire fusie en ingenieurs staan voor een ontmoedigende taak - hoe dit proces in een energiecentrale te beheersen?
Dit is iets waar wetenschappers al sinds de jaren zestig aan werken. Een andere experimentele fusiereactor genaamd Wendelstein 7-X is in bedrijf genomen in de Noord-Duitse stad Greifswald. Het is nog niet ontworpen om een reactie te veroorzaken - het is gewoon een speciaal ontwerp dat wordt getest (een stellarator in plaats van een tokamak).
High Energy Plasma
Alle thermonucleaire installaties hebben een gemeenschappelijk kenmerk: een ringvorm. Het is gebaseerd op het idee om krachtige elektromagneten te gebruiken om een sterk elektromagnetisch veld in de vorm van een torus te creëren - een opgeblazen fietsbuis.
Dit elektromagnetische veld moet zo dicht zijn dat wanneer het in een magnetron wordt verwarmd tot een miljoen graden Celsius, er een plasma in het midden van de ring moet verschijnen. Het wordt dan ontstoken zodat de fusie kan beginnen.
Demonstratie van mogelijkheden
In Europa lopen momenteel twee van dergelijke experimenten. Een daarvan is de Wendelstein 7-X, die onlangs zijn eerste heliumplasma genereerde. De andere is ITER, een enorme experimentele fusie-installatie in het zuiden van Frankrijk die nog in aanbouw is en klaar zal zijn om in 2023 live te gaan.
Er wordt aangenomen dat echte kernreacties bij ITER zullen plaatsvinden, maar alleen invoor een korte periode en zeker niet langer dan 60 minuten. Deze reactor is slechts een van de vele stappen om kernfusie te realiseren.
Fusiereactor: kleiner en krachtiger
Onlangs hebben verschillende ontwerpers een nieuw reactorontwerp aangekondigd. Volgens een groep studenten van het Massachusetts Institute of Technology, evenals vertegenwoordigers van het wapenbedrijf Lockheed Martin, kan kernfusie worden uitgevoerd in faciliteiten die veel krachtiger en kleiner zijn dan ITER, en zijn ze klaar om het binnen tien jaar.
Het idee van het nieuwe ontwerp is om moderne supergeleiders voor hoge temperaturen te gebruiken in elektromagneten, die hun eigenschappen vertonen wanneer ze worden gekoeld met vloeibare stikstof, in plaats van conventionele, waarvoor vloeibaar helium nodig is. Een nieuwe, flexibelere technologie zal een volledig herontwerp van de reactor mogelijk maken.
Klaus Hesch, die verantwoordelijk is voor kernfusietechnologie aan het Karlsruhe Institute of Technology in het zuidwesten van Duitsland, is sceptisch. Het ondersteunt het gebruik van nieuwe hogetemperatuursupergeleiders voor nieuwe reactorontwerpen. Maar iets ontwikkelen op een computer, rekening houdend met de wetten van de fysica, is volgens hem niet genoeg. Het is noodzakelijk om rekening te houden met de uitdagingen die zich voordoen bij het in praktijk brengen van een idee.
Scifi
Volgens Hesh toont het MIT-studentenmodel alleen de mogelijkheid van een project. Maar het is eigenlijk veel sciencefiction. Projectsuggereert dat de ernstige technische problemen van kernfusie zijn opgelost. Maar de moderne wetenschap heeft geen idee hoe ze op te lossen.
Een zo'n probleem is het idee van opvouwbare spoelen. Elektromagneten kunnen worden gedemonteerd om in de ring te komen die het plasma vasthoudt in het MIT-ontwerpmodel.
Dit zou erg handig zijn omdat men toegang zou kunnen krijgen tot objecten in het interne systeem en ze zou kunnen vervangen. Maar in werkelijkheid zijn supergeleiders gemaakt van keramisch materiaal. Honderden van hen moeten op een geavanceerde manier met elkaar worden verweven om het juiste magnetische veld te vormen. En hier zijn er meer fundamentele problemen: de verbindingen tussen hen zijn niet zo eenvoudig als de verbindingen van koperen kabels. Niemand heeft tot nu toe zelfs maar aan concepten gedacht die dergelijke problemen zouden helpen oplossen.
Te warm
Hoge temperatuur is ook een probleem. In de kern van het fusieplasma zal de temperatuur ongeveer 150 miljoen graden Celsius bereiken. Deze extreme hitte blijft op zijn plaats - precies in het centrum van het geïoniseerde gas. Maar zelfs eromheen is het nog steeds erg heet - van 500 tot 700 graden in de reactorzone, de binnenste laag van een metalen pijp waarin het tritium dat nodig is voor kernfusie zal "reproduceren"
De fusiereactor heeft een nog groter probleem - de zogenaamde power release. Dit is het deel van het systeem dat de gebruikte brandstof, voornamelijk helium, uit het fusieproces ontvangt. Eerstede metalen componenten waarin het hete gas binnenkomt, worden "afleiders" genoemd. Het kan opwarmen tot meer dan 2000°C.
Omleidingsprobleem
Om ervoor te zorgen dat de fabriek deze temperaturen kan weerstaan, proberen ingenieurs het metalen wolfraam te gebruiken dat wordt gebruikt in ouderwetse gloeilampen. Het smeltpunt van wolfraam is ongeveer 3000 graden. Maar er zijn ook andere beperkingen.
In ITER kan dit, omdat de verwarming daarin niet constant plaatsvindt. Aangenomen wordt dat de reactor slechts 1-3% van de tijd zal werken. Maar dat is geen optie voor een energiecentrale die 24/7 moet draaien. En als iemand beweert een kleinere reactor te kunnen bouwen met hetzelfde vermogen als ITER, kan men gerust stellen dat hij geen oplossing heeft voor het divertorprobleem.
Elektriciteitscentrale over een paar decennia
Desalniettemin zijn wetenschappers optimistisch over de ontwikkeling van thermonucleaire reactoren, maar het zal niet zo snel gaan als sommige enthousiastelingen voorspellen.
ITER zou moeten aantonen dat gecontroleerde fusie in feite meer energie kan produceren dan zou worden besteed aan het verwarmen van het plasma. De volgende stap is het bouwen van een gloednieuwe hybride demonstratiecentrale die daadwerkelijk elektriciteit opwekt.
Ingenieurs werken al aan het ontwerp. Ze zullen moeten leren van ITER, dat naar verwachting in 2023 van start gaat. Gezien de tijd die nodig is voor ontwerp, planning en constructie, lijkthet is onwaarschijnlijk dat de eerste fusiecentrale veel eerder zal worden gelanceerd dan het midden van de 21e eeuw.
Rossi Cold Fusion
In 2014 concludeerde een onafhankelijke test van de E-Cat-reactor dat het apparaat een gemiddeld vermogen van 2.800 watt produceerde over een periode van 32 dagen met een verbruik van 900 watt. Dit is meer dan welke chemische reactie dan ook kan isoleren. Het resultaat spreekt van een doorbraak in thermonucleaire fusie, of van regelrechte fraude. Het rapport stelde sceptici teleur, die betwijfelen of de test echt onafhankelijk was en suggereren mogelijke vervalsing van de testresultaten. Anderen zijn druk bezig geweest met het uitzoeken van de "geheime ingrediënten" die Rossi's fusie in staat stellen om de technologie te repliceren.
Rossi is een oplichter?
Andrea is indrukwekkend. Hij publiceert proclamaties aan de wereld in uniek Engels in het commentaargedeelte van zijn website, die pretentieus het Journal of Nuclear Physics wordt genoemd. Maar zijn eerdere mislukte pogingen waren onder meer een Italiaans afval-naar-brandstofproject en een thermo-elektrische generator. Petroldragon, een afval-naar-energieproject, is gedeeltelijk mislukt omdat het illegaal storten van afval wordt gecontroleerd door de Italiaanse georganiseerde misdaad, die een strafrechtelijke aanklacht heeft ingediend wegens het overtreden van voorschriften voor afvalbeheer. Hij maakte ook een thermo-elektrisch apparaat voor het US Army Corps of Engineers, maar tijdens het testen produceerde het gadget slechts een fractie van het opgegeven vermogen.
Velen vertrouwen Rossi niet, en de hoofdredacteur van de New Energy Times noemde hem botweg een crimineel met een reeks mislukte energieprojecten achter zich.
Onafhankelijke verificatie
Rossi heeft een contract getekend met het Amerikaanse bedrijf Industrial Heat om een jaar lang geheime test uit te voeren van een 1-MW koude fusie-installatie. Het apparaat was een zeecontainer vol met tientallen E-Cats. Het experiment moest worden gecontroleerd door een derde partij die kon bevestigen dat er inderdaad warmte werd opgewekt. Rossi beweert het afgelopen jaar een groot deel van het afgelopen jaar praktisch in een container te hebben gewoond en meer dan 16 uur per dag toezicht te hebben gehouden op de operaties om de commerciële levensvatbaarheid van de E-Cat te bewijzen.
De test eindigde in maart. Rossi's aanhangers wachtten reikhalzend uit naar het rapport van de waarnemers, in de hoop op vrijspraak voor hun held. Maar uiteindelijk kregen ze een rechtszaak.
Geschillen
In een rechtszaak in Florida beweert Rossi dat de test succesvol was en een onafhankelijke arbiter bevestigde dat de E-Cat-reactor zes keer meer energie produceert dan hij verbruikt. Hij beweerde ook dat Industrial Heat ermee had ingestemd hem $ 100 miljoen te betalen - $ 11,5 miljoen vooraf na de proefperiode van 24 uur (zogenaamd voor licentierechten zodat het bedrijf de technologie in de VS kon verkopen) en nog eens $ 89 miljoen na de succesvolle voltooiing van de uitgebreide proefperiode binnen 350 dagen. Rossi beschuldigde IH van 'frauduleus plan'waarvan het doel was om zijn intellectuele eigendom te stelen. Hij beschuldigde het bedrijf ook van het verduisteren van E-Cat-reactoren, het illegaal kopiëren van innovatieve technologieën en producten, functionaliteit en ontwerpen, en misbruik van een patent op zijn intellectuele eigendom.
Goudmijn
Elders beweert Rossi dat IH tijdens een van zijn demonstraties $ 50-60 miljoen ontving van investeerders en nog eens $ 200 miljoen van China na een herhaling waarbij Chinese topfunctionarissen betrokken waren. Als dit waar is, staat er veel meer dan honderd miljoen dollar op het spel. Industrial Heat heeft deze beweringen als ongegrond afgewezen en gaat zich actief verdedigen. Wat nog belangrijker is, ze beweert dat ze "meer dan drie jaar heeft gewerkt om de resultaten te bevestigen die Rossi naar verluidt heeft bereikt met zijn E-Cat-technologie, zonder succes."
IH gelooft niet in de E-Cat, en de New Energy Times ziet geen reden om daaraan te twijfelen. In juni 2011 bezocht een vertegenwoordiger van de publicatie Italië, interviewde Rossi en filmde een demonstratie van zijn E-Cat. Een dag later meldde hij zijn ernstige zorgen over de methode om thermisch vermogen te meten. Na 6 dagen plaatste de journalist zijn video op YouTube. Experts van over de hele wereld stuurden hem analyses, die in juli werden gepubliceerd. Het werd duidelijk dat dit een hoax was.
Experimentele bevestiging
Een aantal onderzoekers - Alexander Parkhomov van de Peoples' Friendship University of Russia en het Martin Fleishman Memorial Project (MFPM) -erin geslaagd om de koude thermonucleaire fusie van Rusland te reproduceren. Het MFPM-rapport was getiteld "Het einde van het koolstoftijdperk is nabij". De reden voor die bewondering was de ontdekking van een uitbarsting van gammastraling, die niet anders kan worden verklaard dan door een thermonucleaire reactie. Volgens onderzoekers heeft Rossi precies wat hij zegt.
Een levensvatbaar open recept voor koude kernfusie zou een energie-goudkoorts kunnen veroorzaken. Er kunnen alternatieve methoden worden gevonden om Rossi's patenten te omzeilen en hem buiten de energiebusiness van miljarden dollars te houden.
Dus misschien wil Rossi deze bevestiging liever vermijden.
