Fusie 2.0

In een kruisvuur van lasers gaan de VS waterstof-atomen versmelten. Een alternatief voor de Europese kernfusie?..

Door Peter van Ammelrooy

Erik Storm ziet het helemaal voor zich. ‘Bij de NIF kun je op donderdag om 9 uur ’s ochtends een exploderende supernova plannen in plaats van af te wachten of er zich eentje toevallig in het universum voordoet’, vertelde de onderdirecteur van het Lawrence Livermore National Laboratory onlangs ontvallen aan de BBC.

Storms enthousiasme betreft het jongste speeltje van het Californische laboratorium, waar onderzoek wordt uitgevoerd voor het Amerikaanse kernwapenprogramma. De NIF, voluit National Ignition Facility, is een experimentele kernfusiereactor – eentje waar ze mini-sterren kunnen maken.

Astrofysische simulatie is evenwel niet het hoofddoel van de reactor, die eind mei officieel werd geopend. De Amerikanen hopen met de NIF kennis te vergaren waarmee ze hun kernwapenarsenaal op peil kunnen houden. Sommige atoombommen liggen al bijna veertig jaar opgeslagen, te wachten op een moment waarvan de wereld hoopt dat het nooit zal aanbreken.

Een deel van deze afschrikkingswapens heeft zijn oorspronkelijke uiterste houdbaarheidsdatum overschreden. Zelfs de jongste kernwapens die aan de wapenvoorraad werden toegevoegd dateren alweer van zestien jaar terug. Of ze nog naar behoren zullen functioneren als een nucleair armageddon losbreekt – dat is de hamvraag waarop de NIF het antwoord moet geven.

Kernproeven waren tot 1992 het beproefde middel voor de Amerikanen om na te gaan of het verouderde wapentuig nog werkt. Maar die kunnen de VS niet meer houden sinds Bill Clinton in 1996 zijn handtekening zette onder een VN-verbod op alle kernexplosies – militair en civiel.

De NIF is Amerika’s armageddon-simulator. Maar ook een poging om een nieuwe, schier onuitputtelijke bron van energie te vinden en om sterrenkundigen – Storms droom – een blik te laten werpen in de processen die de zon laten stralen.

Alles uit de kast
Voor al die ambitieuze doelen haalt de wetenschap alles uit de kast. In wezen is het principe achter de NIF simpel: in de reactor gaan de Amerikanen energie opwekken door kleine waterstofbommen tot ontploffing te brengen.

De langere uitleg is iets gecompliceerder. De NIF is een schietbaan van enorme proporties – drie voetbalvelden groot – met een piepklein doelwit en een futuristisch geweer. De onderzoekers gaan een kokertje ter grootte van een boon met daarin een balletje met waterstofisotopen bestoken met een bundel van 192 laserstralen.

Het minuscule doelwit zit opgesloten in een reactorvat, een 118 duizend kilo zware holle bol van tien meter doorsnede, opgebouwd uit platen aluminium van iets meer dan tien centimeter dik en ingekapseld in een 40 centimeter dikke betonnen mantel.

De laserstralen verhitten razendsnel de binnenkant van het kokertje. Deze hohlraum produceert röntgenstralen die de temperatuur van en de druk op de brandstofcapsule opvoeren tot een peil dat vergelijkbaar is met omstandigheden bij een kernexplosie of in de kern van de zon. Onder dat geweld smelten de kernen van de waterstofatomen samen – een proces waarbij een grote hoeveelheid energie vrijkomt in een 20 miljardste van een seconde.

Voor energiedoeleinden is het zaak dat NIF meer energie opwekt dan de stroom die nodig is om de laserstralen te voeden en de ingewikkelde machinerie te koelen – het liefst honderd keer zoveel. In die paar miljardste van een seconde verbruikt de NIF 500 biljoen watt – meer dan alle elektriciteitscentrales in de Verenigde Staten bij elkaar op piekvermogen in eenzelfde oogwenk produceren.

Ideaal antwoord
Ondanks alle technische uitdagingen geldt kernfusie als het ideale antwoord op de mondiale honger naar nieuwe energiebronnen. Anders dan zijn lelijke stiefzusje – energie uit kernsplitsing – is kernfusie relatief schoon, goedkoop en ongevaarlijk.

De brandstof voor kernfusiecentrales is volop voorhanden en schier onuitputtelijk. Kernfusie geeft minder gevaarlijke radioactieve rommel. Een meltdown of andere catastrofes brengt kernfusie niet met zich mee. En de brandstof is – anders dan bij kernsplitsing – onbruikbaar voor de ongecontroleerde fabricage van massavernietigingswapens. Voor een centrale met een vermogen van 1 gigawatt zou een kwart ton brandstof nodig zijn, tegen 3 miljoen ton steenkool die een conventionele kolencentrale verstookt.

Er zijn echter twee grote maren. Om waterstofkernen te laten samensmelten is een ontzaglijke hoop energie nodig. De andere hobbel is dat kernfusie als procedé bewezen is, maar alleen voor een extreem korte tijdspanne.

Een reactor die steden van stroom voorziet, moet continu gecontroleerd waterstofbommen laten afgaan – een prestatie waarvan nog lang niet zeker is dat geleerden daar ooit in zullen slagen. Fusie, luidt een kwinkslag onder critici, is een belofte voor de toekomst die dat altijd zal blijven.

Milde scepsis overheerst bij Niek Lopes Cardozo, sinds begin deze maand hoogleraar kernfusie aan de Technische Universiteit Eindhoven. Hij is al jaren betrokken bij ITER, de internationale tegenhanger van de NIF. ITER is ook duivels ingewikkeld, erkent Lopes Cardozo, maar de Amerikanen kampen met hun eigen problemen.

‘Bij de National Ignition Facility is de grote vraag hoe vaak ze hun lasers kunnen afvuren. Ik heb er de afgelopen jaren op internationale congressen een paar keer naar gevraagd, maar ze geven er geen antwoord op. Is dat een keer per maand, een keer per dag?’

Het NIF zegt elke dag de lasers te kunnen afvuren. Elke keer opnieuw moet er een nieuw kokertje met brandstof worden geplaatst. Om commercieel rendabel energie op te wekken, moet de frequentie fors worden opgevoerd – tot 10 keer per seconde.

Uit de lucht
Dat betekent dat geleerden een manier moeten vinden om de installatie zo nauwkeurig af te stemmen dat de lasers als het ware ‘uit de lucht’ kunnen schieten. Lopes Cardozo: ‘Het is moeilijk te beoordelen hoe groot die stap is.’

Vanwege de grote warmteontwikkeling bij de laserapparatuur kunnen afwijkingen snel optreden. ‘Dan moet je de boel opnieuw uitlijnen’, legt Lopes Cardozo uit. De laserstraal begint als een bundel infrarood licht die niet veel verschilt van wat er uit de leesarm van een cd-speler komt. Een reeks versterkers, kristallen, filters en spiegels krikt die bundel op.

Er moeten 60 duizend onderdelen worden afgesteld – dertig keer de hoeveelheid instrumenten die tijdens een vlucht met een Amerikaans ruimteveer in de gaten moeten worden gehouden.

Die ingewikkeldheid heeft een prijs. De NIF ligt zeven jaar achterop schema en heeft de oorspronkelijke begroting met bijna 600 procent overschreden. De operationele kosten zijn op 140 miljoen dollar per jaar geraamd. De fusiereactor zou tot 2040 moeten draaien, wat aan het einde van de rit een kostenplaatje oplevert van 8,1 miljard dollar.

De critici zeggen dat niemand een idee heeft van wat een commercieel rendabele kernfusiereactor gaat kosten. De NIF is slechts het experiment dat aan een nog te bouwen prototype vooraf gaat. Commercieel wordt de technologie vermoedelijk pas in 2040 rijp voor toepassing.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden