Kan SPARC netto energie opwekken uit kernfusie?

SPARC belooft binnen vijf jaar een over-unity kernfusiereactor te hebben. Een grap die niet voor niets al een halve eeuw de ronde doet is, is dat kernfusie altijd veertig jaar in de toekomst ligt. Inderdaad is tot nu toe de enige praktische toepassing van energieopwekking door kernfusie de waterstofbom. Komt daar nu verandering in?

Een van de prettige eigenschappen van dit heelal is dat de sterkte van de elektromagnetische en de sterke kernkracht zo mooi nauwkeurig op elkaar afgestemd zijn. Was de sterke kernkracht ook maar 2% sterker vergeleken met nu, dan was de waterstof in het heelal in een vroeg stadium veranderd in helium-2 (wat in dit heelal niet kan bestaan). Al was deze helium-2 uiteindelijk vervallen tot de waterstofisotoop deuterium, die zich chemisch vrijwel als standaard waterstof gedraagt. Ook had het er dan waarschijnlijk slecht uitgezien voor de vorming van lichtere elementen als zuurstof, stikstof en koolstof, die essentieel zijn voor het leven. Was de sterke kernkracht iets zwakker, dan had de zon niet kunnen schijnen en hadden we ook niet bestaan. Kortom: dat de sterke kernkracht deze waarde heeft is weliswaar erg fijn voor levende wezens als wij, maar een gevolg daarvan is dat kernfusie, zeker de proton-proton reactie, erg lastig is in een reactor die kleiner is dan een ster. Bewegen de deeltjes ook maar een procent langzamer of sneller dan nodig is om de afstoting te overwinnen, dan worden ze afgestoten, resp. kaatsen weer weg zonder dat de fusie plaatsvond.

Toch lijkt het nu verschillende onderzoeksgroepen te gaan lukken om het punt van over-unity Q=1, het punt waarop er meer bruikbare energie uit de fusiereactie wordt gehaald dan er in wordt gestopt, te gaan bereiken. Vooral de minireactor SPARK van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de gelijknamige Usaanse deelstaat gooit hoge ogen, althans, volgens de groep erachter. Alle bekende methodes voor kernfusie verlopen volgens een beperkt aantal verschillende principes.

• Inertial confinement: het fusiemateriaal sterk samenpersen, zodat het vanzelf gaat fuseren (het principe achter de waterstofbom en de Z-pinch. (Als we de zeer inefficiënte laser (rendement <1%) buiten beschouwing laten, en uitgaan van het zeer kleine deel van de laserstraling dat daadwerkelijk de fusiebrandstof samenperste, leverde ook de Z-pinch meer fusieenergie dan in de laserstraal werd toegevoerd. Maar in praktische termen scoort zelfs een fusor met een Q lager dan 0,000 01 beter dan de Z-pinch.)
• Positief geladen deeltjes met precies de juiste hoeveelheid energie op elkaar afschieten (het principe achter de Farnsworth fusor, die netto nog geen energie oplevert maar wel nuttig is als compacte neutronenbron). Om deuterium te laten fuseren moeten de botsende deeltjes met een energie van enkele tienduizenden elektronvolt op elkaar botsen. Dit kan je in principe al bereiken met een opgevoerde beeldbuis van enkele honderden euro’s.
• Muon-gekatalyseerde fusie. Muonen, de zware varianten van elektronen, produceren atomen die honderden keren kleiner zijn dan normaal, waardoor de deuterium- en tritiumkernen dicht bij elkaar komen te liggen en fusie ook bij lage temperatuur kan plaatsvinden. Muonen kunnen per deeltje vele tientallen fusiereacties katalyseren. Helaas vallen muonen erg snel uit elkaar en lekken ze weg met de gevormde heliumkernen. Ook kost het veel energie om ze te maken.
• Thermische fusie: plasma verhitten tot honderden miljoenen graden, zodat een groot percentage van de deeltjes in het fusiemateriaal de juiste energie hebben om te fuseren. Dan moet je denken aan meer dan honderd miljoen graden. Sterren fuseren op deze manier: de lagere temperatuur in sterkernen (kern van de zon: 14 miljoen graden C) wordt goedgemaakt door de hoge dichtheid en enorme omvang. Plasma opsluiten is het makkelijkst in een torus (donutvormige structuur), waarbij extreem sterke elektromagneten de geladen plasmadeeltjes in de torus houden: de tokamak. Dit populaire design is uitgevonden in de Sovjet-Unie. De tokamak-reactor JET, waarin dit hete plasma door middel van sterke magneetvelden werd opgesloten, bereikte in 1997 de mijlpaal van Q = 0,67: voor elke drie joule toegevoerde thermische energie, ontstonden er twee joule fusie-energie. Dit record is sindsdien niet meer gebroken, al bereikte de D-D fusiereactor JT-60 in Japan een geëxtrapoleerde (en hiermee twijfelachtige) over-unity Q-waarde van 1,67. Varianten op het thermische fusieprincipe zijn de bolvormige tokamak en de stellarator (een wokkelvormige torus).

Hoe werkt SPARC?
SPARC is een compacte tokamak, m.a.w. is gebaseerd op het thermische fusieprincipe en lijkt technisch op andere tokamaks zoals JET, ITER en andere tokamaks. Het belangrijkste technische probleem bij thermische kernfusie is het afschermen van het plasma, het beperkt houden van het energieverlies door het weglekken en uitstralen door het plasma. De sterke magneetvelden worden opgewekt met supergeleiders, die moeten worden afgekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt. Weliswaar houden de sterke magneetvelden de plasmadeeltjes opgesloten, maar door hun enorm hoge temperatuur stralen de deeltjes röntgenstraling uit. Daarom doen grote tokamaks, zoals ITER, het doorgaans beter, omdat hun inhoud per vierkante meter oppervlak groter is. Het team achter SPARC, met een doorsnede van slechts twee meter, denkt de resultaten van ITER te kunnen overtreffen door de veel sterkere magneetvelden waarmee gewerkt wordt. Daardoor kan het plasma dichter worden en neemt de fusiesnelheid flink toe. SPARC is een doorontwikkeling van de eerdere, voor zijn kleine grootte goed presterende tokamak van MIT, Alcator C-Mod. SPARC kent nog meer ontwerpverbeteringen ten opzichte van andere tokamaks, zoals het gemak waarmee de reactor uit elkaar gehaald kan worden. Een alternatief wandontwerp moet het plasma beter afbuigen van de wanden zodat de verliezen minder worden dan in bestaande ontwerpen.

Door SPARC op te schalen tot ongeveer de grootte van ITER, zie rechts, zou dan een commerciële fusiereactor een feit worden. Dit ambitieuze streven staat of valt met de nieuwe hoge-temperatuur supergeleidende magneten, waarmee het team een zeer sterk magneetveld van 12 tesla in het centrum van de torus op wil wekken.  Anders dan “klassieke” supergeleidende materialen, die in bulk worden toegepast bij temperaturen onder de dertig kelvin, zijn hoge-temperatuur supergeleiders vrij fragiel en kunnen ze minder sterke tegenwerkende magneetvelden aan. De MIT-research is er dan ook vooral op gericht om deze nieuwe supergeleiders aan te passen aan deze veeleisende omgeving en zodra de prototype magneten voldoende uitontwikkeld zijn, de eigenlijke reactor SPARC op te bouwen (planning: rond juni 2021[1]) en over-unity fusie te bereiken. Of dit zal lukken blijft uiteraard spannend, maar de eerdere goede resultaten geven de nodige hoop.

Bronnen
1. Validating the physics behind the new MIT-designed fusion experiment, MIT News, 2020
2. T. Fujita et al., High performance experiments in JT-60U reversed shear discharges, IAEA, rond 1998
3. SPARC brochure, MIT/SPARC, 2020

Het bericht Kan SPARC netto energie opwekken uit kernfusie? verscheen eerst op Visionair.