Wat is kernfusie? En maakt het straks zonnepanelen en windmolens overbodig?

Kernfusie, wat is dat?

Kernfusie is een proces waarbij de kernen van atomen (de kleine deeltjes waaruit alles in het universum bestaat) samensmelten. Dat doen ze alleen als het heel heet is en als de druk groot is. Het is een proces dat in sterren continu gebeurt: de intense hitte van de zon doet waterstofatomen samensmelten tot helium, waarbij een heleboel energie vrijkomt. Die energie gebruikt de zon om te branden. Bij elke fusie van twee piepkleine waterstofatomen komt relatief gigantisch veel energie vrij, volgens de bekende vergelijking E=mc²: energie is gelijk aan de massa keer de lichtsnelheid in het kwadraat. Per seconde wordt er in de kern van de zon 620 miljoen ton aan waterstofatomen gefuseerd tot 616 ton heliumatomen. De ontzaglijke hoeveelheid energie die vrijkomt bij dat proces zorgt voor de hoge temperatuur in de zon én voor de felle straling, dat het leven op aarde mogelijk maakt.

Wetenschappers kregen al vroeg na de ontdekking van dit proces in sterren een idee: kunnen we dat fusieproces niet op aarde uitvoeren? Het zou zorgen voor bijna onbeperkte hoeveelheid schone energie, de zon stoot immers geen CO2 uit. Al sinds de jaren ’40 tracht men reactoren te bouwen waarin de fusie in sterren op een gecontroleerde manier en veel kleinere schaal plaatsvindt. Maar na 80 jaar onderzoek zijn ze nog niet veel verder gekomen. Het ITER-project in Zuid-Frankrijk, dat al sinds 1988 loopt, moet in 2025 voor het eerst een beetje plasma produceren - en dan is echte energieproductie nog mijlen ver weg.

Niet alleen ITER timmert aan de weg. Het Verenigd Koninkrijk heeft een eigen reactor.

Hoe werkt kernfusie?

Twee atomen fuseren niet zomaar. Daarvoor moet het al heel heet zijn, en er moeten een heleboel (waterstof)atomen in een relatief kleine ruimte zitten. Een hoge temperatuur zorgt ervoor dat de atomen heel snel bewegen, waardoor ze tegen elkaar botsen. Dit doen ze met zulke hoge snelheid, dat de natuurlijke afstotingskracht tussen atomen (denk aan twee magneten met dezelfde polen) overwonnen worden. Daarop trekken de kernen van een atoom elkaar aan, en verandert een waterstofatoom met één kern (of proton) in een atoom met twee kernen: helium.

Het is een ingewikkeld proces, maar het staat aan de basis van alle leven op aarde. Want vanuit helium ontstaat door fusie weer een nieuw element, en zo verder, tot alle stoffen die we tegenkomen op aarde, van koolstof tot ijzer, uiteindelijk ontstaan. De zon stoot die deeltjes uit en in de loop van miljarden jaren ontstonden zo planeten, en water, en al het andere.

Bij fusiereactoren op aarde proberen we hetzelfde proces te simuleren. Dat kan een heleboel energie opleveren met een piepkleine voetafdruk: een gram waterstof ‘verbranden’ in een fusiereactor levert 90.000 kilowattuur op; hetzelfde als 11.000 kilo steenkool. Daarbij komt praktisch geen CO2 vrij. Om dat te laten gebeuren is wel een heleboel energie nodig, het moet immers heel warm zijn voordat er fusie plaatsvindt. Maar ben je daar eenmaal, dan houdt het proces zichzelf in stand; er is dus alleen in het begin een hoop energie nodig om het proces op gang te brengen. Maar als dat energie uit windmolens of zonnepanelen is, stoot ook dat geen CO2 uit.

Waarom is kernfusie belangrijk?

Kernfusie is belangrijk omdat het een eindeloze bron van schone energie kan zijn. Als fusie op grote schaal mogelijk wordt, zijn er geen windturbines, zonnepanelen, kolen- of gascentrales meer nodig voor onze behoefte aan elektriciteit, we kunnen dan de energie die bij fusie vrijkomt gebruiken. Daarom zijn landen bereid om miljarden euro’s te stoppen in een project als ITER, dat puur experimenteel is. Het kost misschien veel geld, maar áls het lukt verdient het de investeringen honderden malen terug.

Aan de andere kant lijkt fusie geen oplossing voor de korte termijn. De klimaatdoelen van 2050 zullen niet gehaald worden met kernfusie, daarvoor is de techniek nog lang niet ver genoeg ontwikkeld. Daarom blijft de ontwikkeling van duurzame energieopwek, met zon of wind of waterkracht, onmisbaar in de komende decennia. Of en wanneer kernfusie voor het eerst stroom zal leveren, is voorlopig nog onduidelijk. Het zal in ieder geval niet in de komende dertig jaar zijn.

Is kernfusie hetzelfde als kernenergie?

Nee. Hoewel het technisch gezien energie haalt uit kernen, is fusie het tegenovergestelde van het proces dat in een kerncentrale plaatsvindt. Daar worden de kernen van zware atomen zoals plutonium of uranium gespleten, waarbij veel energie vrijkomt. Bij fusie worden juist lichte atomen samengesmolten. Splitsing is een gevaarlijker proces, dat oncontroleerbaar kan worden (een meltdown). Het levert bovendien radioactief en dus gevaarlijk afval op. Dat probleem heb je niet bij fusie; daarbij ontstaat alleen helium en energie.