Bij kernfusie smelten twee lichte atoomkernen samen tot één zwaardere. Hierbij komt heel veel energie vrij: kernfusie van waterstofkernen op de zon zorgt ervoor dat de zon nog miljarden jaren kan branden. Het is een onuitputtelijke en veilige energiebron die nauwelijks radioactief afval en geen CO2 maakt. “Dat wil iedereen wel. Vandaar ook dat men wereldwijd samengewerkt aan kernfusie”, vertelt Lopes Cardozo, deeltijdhoogleraar bij TU/e-faculteit Technische Natuurkunde.

Op dit moment bouwt men samen een experimentele kernfusiecentrale, ITER, in Cadarache in Zuid-Frankrijk. Maar deze centrale is enkel bedoeld voor experimenten. De eerste serie commerciële kernfusiecentrales kan rond 2050 worden gebouwd. Waarom duurt dat zo lang? Lopes Cardozo: “Rond 1950 dacht men nog snel een kernfusiecentrale te realiseren. Maar dat bleek niet zo eenvoudig te zijn. Fusie gaat niet vanzelf. Om te fuseren, moeten de atoomkernen dicht genoeg bij elkaar komen. Hiervoor moet de temperatuur zo hoog zijn dat de kernen met hoge snelheid tegen elkaar botsen.” Een kernfusiereactie verloopt pas bij honderdvijftig miljoen graden. Dat is heter dan de binnenkant van de zon. Lopes Cardozo: “Dat lijkt onvoorstelbaar veel, maar dat betekent niet dat je het niet zo heet kunt maken.”

Als je gas zo heet maakt, vallen de atomen uit elkaar en die toestand heet een plasma. “In het heelal komen plasma’s heel veel voor. Hier op aarde hebben we er minder ervaring mee”, legt Lopes Cardozo uit. Een plasma maak je eenvoudig door een gas te verhitten. Op de afdeling Plasmafysica wordt niet anders gedaan. En in veel industriële processen maakt men gebruik van plasma’s, aldus Lopes Cardozo. Voor het ontwikkelen van een kernfusiecentrale moest eerst de werking van een enorm heet plasma worden onderzocht: hoe verloopt turbulentie in een plasma en hoe interacteert het met magneetvelden en golven?

Plasma opsluiten
Een volgende uitdaging was om het plasma vast te houden, zonder dat het iets ‘aanraakt’, want ieder contact met een wand zou het plasma direct doen afkoelen. Lopes Cardozo: “Al heel vroeg kwam men op het idee om het plasma ‘op te sluiten’ met magneetvelden.” In het plasma zitten geladen deeltjes en die kunnen zich niet loodrecht in de richting van een magneetveld verplaatsen. Door die eigenschap te gebruiken, kun je het plasma op zijn plaats houden en zorgen dat de warmte extreem goed wordt geïsoleerd. “Zo zijn er veel uitdagingen waarvan we er al veel hebben opgelost en enkele nog moeten ontwikkelen. ITER is waarschijnlijk het meest complexe apparaat dat ooit is gebouwd”, stelt Lopes Cardozo.

Het Europese kernfusieonderzoek is op dit moment toonaangevend in de wereld volgens de deeltijdhoogleraar kernfusie. Het is een goed gecoördineerd programma wat de basis is voor de leidende rol van Europa in ITER.

Brandend plasma
Het Nederlandse onderzoek op het gebied van kernfusie is geconcentreerd binnen het FOM-Instituut voor Plasmafysica, dat nauw samenwerkt met de plasmafysicagroepen aan de TU/e. “En er is bijvoorbeeld ook met professor Maarten Steinbuch van de vakgroep Meet- en regeltechniek bij Werktuigbouwkunde een heel vruchtbare samenwerking, waarin we bestuderen hoe je het fusieproces in een fusiereactor met subtiele middelen kunt regelen”, vertelt Lopes Cardozo. “Tot nu toe levert een fusiereactor nog niet meer vermogen dan we erin stoppen. Met ITER gaat dat veranderen, dan gaat het plasma genoeg vermogen leveren om zichzelf op temperatuur te houden. Het ‘brandende plasma’ is een nieuwe toestand van materie, die we nog niet eerder in het laboratorium hebben gemaakt. Dat betekent dat de huidige manier om het plasma te sturen -door meer of minder energie toe te voeren- niet meer werkt. Wij onderzoeken daarom andere manieren om dit toch te beheersen.”

De TU/e is op dit moment bezig een vakgroep Kernfusie met een hoogleraar en staf op te richten. Naast onderzoek wordt door de TU/e in Europees verband een masteropleiding Kernfusie opgezet, vertelt Lopes Cardozo. “Op Nederlands initiatief is er een Europees netwerk opgericht met steun van de Europese commissie om het onderwijs in Europa op het gebied van kernfusie te coördineren. Hierdoor kunnen we kennis delen en gemeenschappelijke voorzieningen organiseren voor studenten, zoals een zomerschool. Met ITER hebben de studenten ook een carrièreperspectief. Je ziet nu al dat veel studenten het vak Kernfusie kiezen. De vakgroep is verbonden aan Natuurkunde, en gaat samenwerken met Werktuigbouwkunde en Elektrotechniek. Het is een breed interdisciplinair gebied. We kunnen studenten een hele interessante studie bieden.”/.