Zal kernfusie werkelijk een veel kleinere ecologische voetafdruk hebben dan de belangrijkste energiebronnen van vandaag? Voorstanders zeggen dat fusie een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de manier waarop we energie opwekken, dankzij de overvloedige brandstofvoorraad, de geringe afvalproductie en de superieure veiligheidskenmerken.
Die beweringen kloppen grotendeels. Maar ze geven geen volledig beeld van de milieueffecten van kernfusie.
Om dat beter te begrijpen, moeten we verder kijken dan de bekende argumenten. Dat betekent dat we zowel de mogelijke milieuvoordelen van kernfusie moeten onderzoeken als de uitdagingen die bepalend kunnen zijn voor de vraag of die voordelen uiteindelijk ook daadwerkelijk worden gerealiseerd. Daarbij zullen we een aantal verrassingen ontdekken die helpen verklaren waarom het milieuaspect van kernfusie verder reikt dan alleen energieproductie.
Laten we beginnen met wat fusie op milieugebied onderscheidt van de huidige dominante nucleaire technologie: kernsplijting.
Hoe verhoudt het milieuprofiel van kernfusie zich tot dat van kernsplijting?
De huidige kerncentrales wekken grote hoeveelheden koolstofarme elektriciteit op door middel van kernsplijting, het splitsen van zware atoomkernen. Bij kernfusie wordt hetzelfde resultaat nagestreefd via een fundamenteel andere reactie: het samenvoegen van lichte atoomkernen in plaats van het splitsen van zware atoomkernen.
Die verschillen reiken veel verder dan de reacties zelf. Ze zijn van invloed op de brandstoffen die elke technologie nodig heeft, het afval dat elke technologie produceert, de risico’s die elke technologie met zich meebrengt en de duurzaamheid op lange termijn van het resulterende energiesysteem. Om inzicht te krijgen in het milieuprofiel van kernfusie moet men daarom eerst begrijpen waarin deze verschilt van kernsplijting.
Veroorzaakt kernfusie de uitstoot van broeikasgassen?
Nee. De deuterium-tritium-fusiereactie– momenteel de belangrijkste benadering voor fusie-energie – produceert helium, een inert, niet-radioactief gas, en geeft energie vrij zonder verbranding. Dat betekent dat de reactie zelf geen kooldioxide produceert en dat fusie geen equivalent kent van de uitstoot van broeikasgassen die gepaard gaat met steenkool, olie of aardgas.
Net als de huidige kerncentrales zou kernfusie 24 uur per dag betrouwbare elektriciteit kunnen leveren zonder CO₂-uitstoot – een combinatie die een aanvulling vormt op hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie, waarvan de opbrengst varieert naargelang het weer en het tijdstip van de dag. Daarom zijn voor de integratie van die bronnen energieopslag en andere middelen voor het in evenwicht houden van het elektriciteitsnet nodig.
Het milieuprofiel van kernfusie wordt ook bepaald door het feit dat er zo weinig brandstof voor nodig is. Het Amerikaanse Ministerie van Energie schat bijvoorbeeld dat één gram deuterium-tritiumbrandstof energie bevat die overeenkomt met ongeveer 2.400 gallon olie. Een kernfusiecentrale van 1.000 megawatt zou ongeveer 250 kilogram brandstof per jaar verbruiken. Een kolencentrale met een vergelijkbare capaciteit verbruikt jaarlijks miljoenen tonnen. Een lagere brandstofbehoefte leidt tot minder winning, transport en verwerking van grondstoffen in het hele energiesysteem.
Hoe verhoudt het afval van kernfusie zich tot dat van kernsplijting?
Op het gebied van afval komt het ecologische verschil tussen fusie en splijting het duidelijkst naar voren. Bij splijting wordt energie opgewekt uit zware nucleaire brandstoffen – uranium en soms plutonium. Daarbij ontstaat verbruikte nucleaire brandstof die hoogradioactieve, langlevende isotopen bevat, die gedurende honderdduizenden jaren moeten worden geïsoleerd. De belangrijkste brandstofcyclus bij fusie combineert de waterstofisotopen deuterium en tritium om helium te produceren. Het belangrijkste radioactieve afval is niet afkomstig van de brandstof zelf, maar van constructiematerialen die in de reactor worden blootgesteld aan hoogenergetische neutronen.
Met die geactiveerde materialen moet nog steeds op verantwoorde wijze worden omgegaan. Ze vormen echter een fundamenteel andere uitdaging op het gebied van afval. Uit door vakgenoten beoordeelde analyses van fusiematerialen met een lage activiteit blijkt dat fusieafval binnen ongeveer 500 jaar zou kunnen vervallen tot ongeveer hetzelfde niveau van radiotoxiciteit als steenkoolas. Steenkoolas, een bijproduct van de verbranding van steenkool, bevat van nature voorkomende radioactieve elementen.
Het verschil tussen eeuwen en geologische tijdschalen is geen bijzaak. Het verandert de aard van het probleem. De Onkalo-opslagplaats in Finland– ’s werelds eerste permanente opslagfaciliteit voor verbruikte splijtstof – vergde tientallen jaren van planning en ontwikkeling om afval aan te pakken dat nog veel langer gevaarlijk blijft dan de geschreven menselijke geschiedenis. Het afvalprofiel van kernfusie wijst op een heel andere, en veel beter beheersbare, uitdaging op de lange termijn.
Is kernfusie veiliger dan kernsplijting?
Vanuit het oogpunt van reactorveiligheid: ja. Een fusiereactie vereist buitengewoon nauwkeurige omstandigheden – temperatuur, druk en insluiting – om door te gaan. Als die omstandigheden worden verstoord, stopt de reactie.
Kernsplijting werkt anders. Bij elke kernsplijting komen neutronen vrij die nieuwe kernsplijtingen in gang zetten, waardoor reactorsystemen de kettingreactie voortdurend moeten beheersen. Maar het verschil op het gebied van veiligheid reikt verder dan de kettingreactie zelf. Een kernsplijtingscentrale heeft als taak een voortdurende reactie onder controle te houden . Een kernfusiecentrale heeft als taak een reactie in stand te houden.
Veel mensen associëren nucleaire ongevallen – die uiterst zeldzaam zijn – met de term ‘meltdown’. Eenvoudig gezegd vindt een meltdown plaats wanneer de splijtstof zo heet wordt dat deze begint te smelten. In een kernsplijtingsreactor kan er binnen de splijtstof nog steeds aanzienlijke warmte worden gegenereerd, zelfs nadat de kettingreactie is gestopt. Zonder voldoende koeling kan die warmte zich blijven opstapelen, wat mogelijk tot een meltdown kan leiden.
Fusiesystemen daarentegen stoppen met het produceren van energie zodra de voorwaarden die nodig zijn voor fusie niet meer aanwezig zijn. In combinatie met de veel kleinere hoeveelheid brandstof die op elk moment aanwezig is en de lagere restwarmte die in die brandstof wordt gegenereerd, brengt fusie niet hetzelfde risico op een kernsmelting met zich mee als conventionele splijtingsreactoren.
Zonder de voorwaarden die nodig zijn voor kernfusie, vindt er geen zichzelf in stand houdende kettingreactie plaats die het proces gaande houdt — en is er dus ook geen vergelijkbaar risico op een kernsmelting.
Kernsplijting levert nu al op grote schaal koolstofarme elektriciteit en zal waarschijnlijk nog decennia lang een belangrijk onderdeel van de energiemix blijven. Kernfusie is nog niet zover dat het die rol kan overnemen. Maar als commerciële kernfusie eenmaal een feit is, zou deze op termijn veel van dezelfde voordelen kunnen bieden en tegelijkertijd de uitdagingen op het gebied van afval en de brandstofcyclus op de lange termijn verminderen, die vandaag de dag nog steeds een grote rol spelen bij kernsplijting.
Wat zijn de milieurisico's van kernfusie?
De milieurisico’s van kernfusie zijn reëel, maar beperkt. De twee belangrijkste punten van zorg zijn het beheer van tritium en neutronenactivatie – stuk voor stuk echte technische uitdagingen die moeten worden aangepakt voordat kernfusie haar volledige milieupotentieel kan realiseren.
Waarom vormt tritium zo’n uitdaging voor kernfusie?
Tritium is zowel een brandstofbron als een van de grootste technische uitdagingen van kernfusie. Voordat we verdergaan, is het de moeite waard om onderscheid te maken tussen de twee belangrijkste brandstoffen voor kernfusie. Deuterium – een niet-radioactieve waterstofisotoop die van nature in water voorkomt – is in voldoende mate aanwezig om bij de huidige wereldwijde vraag miljoenen jaren lang de productie van fusie-energie te ondersteunen. Elke kubieke meter zeewater bevat ongeveer 33 gram deuterium.
Tritium is daarentegen anders. Deze radioactieve isotoop van waterstof is uiterst zeldzaam en moet worden geproduceerd om toekomstige fusiereactoren te kunnen laten functioneren.
Tritium, dat in de meeste fusieontwerpen die momenteel in ontwikkeling zijn samen met deuterium wordt gebruikt, moet tijdens het bedrijf veilig worden ingesloten, in voldoende hoeveelheden worden geproduceerd om toekomstige reactoren te kunnen voeden, en via een haalbare brandstofcyclus worden gerecycled. Voor veel deskundigen is het oplossen van het tritiumprobleem een van de belangrijkste stappen om commerciële fusie-energie mogelijk te maken.
Tritiuminsluiting
Het inperken van tritium vormt een hardnekkige technische uitdaging. De isotoop kan door materialen heen dringen en zich op complexe manieren door systemen verplaatsen, waardoor onbedoelde lozingen moeilijk te voorkomen zijn. Dit is overigens geen verschijnsel dat zich uitsluitend bij kernfusie voordoet. Tritium ontstaat als bijproduct bij de exploitatie van kerncentrales en staat al geruime tijd onder toezicht van regelgevende instanties en wordt onderworpen aan milieumonitoring.
Uit tientallen jaren ervaring in de nucleaire sector is gebleken dat het volledig insluiten van tritium een voortdurende technische uitdaging vormt. Deze realiteit verklaart mede waarom het tot een minimum beperken van het vrijkomen van tritium een essentiële ontwerpeis blijft voor elk geloofwaardig fusiesysteem.
Door de relatief korte halfwaardetijd van tritium (12,3 jaar) vervalt vrijgekomen materiaal sneller dan het meest langlevende radioactieve afval van kernsplijting. Dat beperkt het gevaar op lange termijn, maar neemt de noodzaak van strenge inperking niet weg. Fusiesystemen moeten onbedoelde lozingen voorkomen in plaats van te vertrouwen op radioactief verval om deze te beheersen.
Tritiumvoorziening
Het inperken van de verspreiding is slechts een deel van de uitdaging. Tritium is bovendien uiterst schaars. Natuurlijk voorkomend tritium komt in de natuur vrijwel niet voor. Uit recente analyses van de Federation of American Scientists blijkt dat de huidige wereldwijde tritiumvoorraden in kilogram worden gemeten in plaats van in ton. Het grootste deel van de huidige voorraad is afkomstig van een klein aantal door Canada ontworpen CANDU-zwaarwaterreactoren.
De huidige beschikbaarheid van tritium blijft ver achter bij wat nodig zou zijn voor grootschalige toepassing van kernfusie.
Tritiumproductie
De belangrijkste oplossing voor het tekort aan tritium is tritiumopwekking. Door in een fusiereactor lithiumhoudende materialen te gebruiken, kunnen hoogenergetische fusieneutronen nieuw tritium genereren, waardoor een gesloten brandstofcyclus ontstaat die de werking van de reactor in stand kan houden.
De rol van lithium roept soms vragen op vanwege het toenemende belang ervan bij de productie van batterijen. Bij kernfusie is lithium echter niet de brandstof. Het dient als grondstof waaruit tritium wordt geproduceerd, en de benodigde hoeveelheden zijn relatief klein. Volgens ITER zouden alleen al de bekende lithiumreserves op het land voldoende zijn om de toepassing van kernfusie meer dan 1.000 jaar te ondersteunen, terwijl het in zeewater opgeloste lithium die horizon met miljoenen jaren verlengt. Voor kernfusie wordt de beschikbaarheid van lithium over het algemeen niet als de belangrijkste beperkende factor beschouwd.
De fysische principes achter de tritiumproductie zijn goed bekend. De uitdaging is nu om de techniek op commerciële schaal te realiseren. Een belangrijke mijlpaal is het bereiken van een tritiumproductieverhouding van meer dan één — waarbij meer tritium wordt geproduceerd dan de reactor verbruikt.
SHINE en de Britse Autoriteit voor Atoomenergie werken samen aan het LIBRTI-programma om dat doel te verwezenlijken. Het programma is bedoeld om technologieën voor de productie van tritium te testen onder omstandigheden die steeds meer overeenkomen met die in een reactor, en om een antwoord te vinden op een van de belangrijkste vragen over de brandstofcyclus van fusie-energie: of toekomstige reactoren op betrouwbare wijze voldoende tritium kunnen produceren om een langdurige werking te garanderen.
Zou fusie verder kunnen gaan dan tritium?
Een mogelijkheid op langere termijn is deuterium-deuterium (D-D)-fusie, waardoor tritium helemaal overbodig zou worden. D-D-fusie is nog steeds aanzienlijk moeilijker op gang te brengen dan de huidige toonaangevende deuterium-tritium-aanpak en wordt niet beschouwd als een commerciële route voor de nabije toekomst. Ook andere benaderingen, waaronder deuterium-helium-3 (D-He3)-fusie, worden onderzocht en zouden potentiële voordelen kunnen bieden, zoals een verminderde neutronenproductie. Voorlopig liggen deze alternatieven echter nog verder van commercialisering af dan de huidige toonaangevende D-T-systemen. Het wijst echter wel in de richting van een toekomstige fusiebrandstofcyclus zonder enige schaarse grondstoffen.
Wat is neutronenactivatie en waarom is dit van belang?
Neutronenactivatie vindt plaats wanneer hoogenergetische fusieneutronen de reactorwanden en constructieonderdelen raken, waardoor deze materialen geleidelijk radioactief worden. Na verloop van tijd moeten sommige onderdelen worden vervangen en als radioactief afval worden verwerkt.
Omdat de activering plaatsvindt in de constructiematerialen van de reactor en niet in de brandstof zelf, hebben ingenieurs een ongewoon grote mate van controle over het uiteindelijke afvalprofiel. Onderzoekers werken actief aan de ontwikkeling van legeringen en keramische materialen met een lage activeringsgraad, die bedoeld zijn om zowel de hoeveelheid als de persistentie van de activeringsproducten die in toekomstige reactoren ontstaan, te verminderen.
Dat neemt de uitdaging niet weg. Maar het betekent wel dat vooruitgang in de materiaalkunde het afvalprofiel van kernfusie op de lange termijn direct kan verbeteren – een flexibiliteit die conventionele kernsplijtingssystemen niet hebben.
Is kernfusie op de lange termijn een duurzame energiebron?
In theorie wel. De duurzaamheid op lange termijn van de huidige toonaangevende fusiebenadering hangt minder af van deuterium dan van het succesvol oplossen van het hierboven besproken tritiumprobleem.
Deuterium – de overvloedige waterstofisotoop die de helft van de deuterium-tritium-brandstofcyclus vormt – is op menselijke tijdschaal in feite onuitputtelijk. ITER merkt op dat de oceanen van de aarde genoeg deuterium bevatten om de productie van fusie-energie gedurende miljoenen jaren te ondersteunen.
Als toekomstige reactoren op betrouwbare wijze hun eigen tritium uit lithium kunnen produceren, zou fusie op termijn kunnen draaien op een brandstofcyclus met minimale beperkingen op het gebied van grondstoffen op de lange termijn. Op nog langere termijn zou deuterium-deuterium (D-D)-fusie de behoefte aan tritium volledig kunnen wegnemen, hoewel die aanpak technisch gezien nog uitdagender is en nog verder verwijderd is van commerciële toepassing.
Kan kernfusie helpen bij het oplossen van het probleem van nucleair afval?
Ja – en dit is wellicht de belangrijkste bijdrage van kernfusie aan het milieu, nog voordat op grote schaal door kernfusie opgewekte elektriciteit aan het net wordt geleverd. Door kernfusie gegenereerde neutronen zouden mogelijk het kleine deel van het splijtingsafval kunnen omzetten dat de noodzaak van diepe geologische opslag met zich meebrengt. Dat betekent dat ze langlevende radioactieve isotopen zouden kunnen omzetten in materialen die binnen jaren of decennia vervallen, in plaats van binnen millennia.
Sinds de jaren vijftig hebben de VS meer dan 90.000 metrische ton gebruikte splijtstof opgestapeld, terwijl er nog geen permanente opslagmethode in gebruik is. Toch is het grootste deel van dat materiaal geen afval in de conventionele zin van het woord. Het bevat nog steeds bruikbare energie, waardevolle isotopen en terugwinbare materialen. Tegelijkertijd zorgt een relatief klein deel van het langlevende radioactieve materiaal ervoor dat er nog steeds behoefte is aan diepe geologische opslag.
Recycling en transmutatie door middel van kernfusie
De aanpak van SHINE op het gebied van recycling van nucleaire brandstof is erop gericht waarde terug te winnen uit gebruikte nucleaire brandstof en tegelijkertijd de hoeveelheid materiaal te verminderen die op lange termijn moet worden opgeslagen. De eerste stap is het terugwinnen van uranium en plutonium –ongeveer 96% van het materiaal in massa– voor mogelijk hergebruik als reactorbrandstof. Vervolgens kunnen door verdere verwerking isotopen en metalen worden teruggewonnen, waaronder strontium-90, rhodium en americium-241, voor toepassingen in de geneeskunde, de industrie en geavanceerde energiesystemen.
Na deze stappen blijft er slechts een klein deel aan hoogradioactief materiaal over. Qua volume vormt dit slechts een minuscuul deel van de oorspronkelijke afvalstroom. Toch is het juist dit restmateriaal dat in grote mate bepalend is voor de noodzaak van geologische opslag op lange termijn.
In het kader van het NEWTON-programma van ARPA-E ontwikkelen SHINE en zijn projectpartners methoden waarbij door kernfusie gegenereerde neutronen worden gebruikt om deze langlevende isotopen om te zetten in korterlevende, of zelfs volledig stabiele vormen. Als deze aanpak slaagt, zou dit zowel de hoeveelheid resterend hoogradioactief afval als de periode waarin dit afval van de omgeving moet worden afgeschermd, drastisch kunnen verminderen.
Is de bijdrage van Fusion aan het milieu al een feit?
De meeste discussies over kernfusie richten zich op wat commerciële kerncentrales op een dag zouden kunnen bereiken. Die visie blijft aantrekkelijk: koolstofvrije energie, een fundamenteel ander afvalprofiel en brandstofbronnen die de beschaving veel langer kunnen ondersteunen dan welke praktische planningshorizon dan ook.
Maar de bijdrage van kernfusie aan het milieu beperkt zich niet tot de elektriciteitsopwekking in de toekomst. Sommige van de belangrijkste toepassingen van deze technologie op korte termijn reiken zelfs helemaal buiten het milieudomein. Bij SHINE wordt fusietechnologie nu al ingezet voor het testen van stralingseffecten en het inspecteren van nucleaire brandstof. In de nabije toekomst zal deze technologie ook worden gebruikt voor de productie van essentiële medische isotopen.
Naast deze toepassingen kunnen door kernfusie opgewekte neutronen mogelijk bijdragen aan nieuwe benaderingen voor de recycling van nucleaire brandstof en de transmutatie van afval, waarmee de huidige milieu-uitdagingen kunnen worden aangepakt.
Commerciële fusie-energie blijft een doel op lange termijn. Toch wordt een van de centrale thema’s van het milieuvriendelijke karakter van fusie vaak over het hoofd gezien: de voordelen ervan beginnen niet pas op de dag dat een fusiecentrale op het elektriciteitsnet wordt aangesloten. Fusie levert nu al toegevoegde waarde en draagt tegelijkertijd bij aan een schonere toekomst op de lange termijn.