Niek Lopes Cardozo: ’Kernfusie is er binnen dertig jaar’

- EN- NL
Foto: Bart van Overbeeke
Foto: Bart van Overbeeke
Kernfusie - een methode waarmee we een aanzienlijk deel van de energie zouden kunnen produceren, die we in de toekomst nodig hebbenlijkt voorbestemd voor grootse dingen, volgens de aftredend hoogleraar Niek Lopes Cardozo.

Onze wereld draait op energie. Met een groeiende wereldbevolking en nieuwe energievretende technologieŽn neemt de vraag naar energie alleen maar toe. Nu we af willen van vervuilende brandstoffen, worden hernieuwbare opties gepromoot als de beste oplossing. Maar hernieuwbare energiebronnen kunnen de fossiele brandstoffen op de lange termijn wellicht niet volledig vervangen. Met aanzienlijke investeringen kan kernfusie binnenkort een helpende hand bieden. Maar wat is de toekomst voor dit enorm populaire energiegebied? Ter gelegenheid van zijn afscheidsrede reflecteert hoogleraar Niek Lopes Cardozo op waarom nucleair nu is en waarom de TU/e vooroploopt in het opleiden van de volgende generatie kernfysici.

"Kernfusie kan een cruciaal onderdeel zijn van onze energietoekomst." Dat zei John Kerry, de Special Presidential Envoy for Climate van het Amerikaanse ministerie van Buitenlandse Zaken, tijdens zijn keynote speech over een inclusieve toekomst voor fusie-energie op de klimaatconferentie van de Verenigde Naties in 2023 (COP28), die plaatsvond in Dubai.

Maar wanneer komt die energietoekomst? En hoe lang moeten we nog wachten? Op het gebied van kernfusie is de historische kwinkslag onder wetenschappers en de pers altijd geweest, dat kernfusie altijd ’nog dertig jaar’ op zich laat wachten.

"In het verleden was het altijd dertig jaar, of zelfs meer, maar de laatste jaren zijn er meer aanwijzingen dat dit niet het geval zal zijn. Het is er eerder", zegt Niek Lopes Cardozo tegen me, als we beginnen aan ons gesprek over kernfusie en zijn lange en succesvolle carriŤre op dit gebied. Lopes Cardozo gaat deze maand met pensioen als hoogleraar wetenschap en technologie van kernfusie aan de faculteit Applied Physics and Science Education.

Nuclear fusion 101

Bij kernfusie worden twee lichte atoomkernen gecombineerd tot een zwaardere atoomkern, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Na de fusie is de massa van de zwaardere kern minder dan de massa van de twee lichte atoomkernen die eerst botsten. Een deel van de overgebleven massa wordt omgezet in energie en de hoeveelheid energie die vrijkomt kan worden berekend met behulp van Einsteins beroemde vergelijking E = mc2.

Om kernfusie te laten plaatsvinden zijn zeer speciale omstandigheden nodig, zoals een hoge temperatuur en hoge druk. Een natuurlijk voorbeeld van kernfusie in de buurt van de aarde is te vinden in onze zon en alle andere sterren. Hoge temperaturen voorzien de atomen van de energie die nodig is om de elektrische afstoting met hun naburige atomen te overwinnen, terwijl extreme druk helpt om de atomen op te sluiten en ze dicht genoeg bij elkaar te krijgen om te fuseren.

Op dit moment werken onderzoekers aan technologieŽn om kernfusiereacties in de zon na te bootsen. De belangrijkste fusiereactie is de combinatie van deuterium en tritium (isotopen van waterstof) tot heliumatomen, waarbij energie en neutronen vrijkomen.

Het realiseren van kernfusie is moeilijk, vooral omdat we technologieŽn nodig hebben die atomen onder hoge temperaturen en druk in kleine ruimtes kunnen opsluiten. Daarom onderzoeken onderzoekers verschillende benaderingen om dit voor elkaar te krijgen.

Beeld: IStockphoto (aprott)

Waarde moet leiden

Zitten in Lopes Cardozo’s kantoor in het Flux-gebouw op de campus van de TU/e is een onderdompeling in het gebied van kernfusie. Aan de muur naast de grote vergadertafel in de kamer hangt een kleurrijke artistieke impressie van een tokamak. Dat is een apparaat om plasma’s op te sluiten om kernfusie-energie te produceren, wat ervoor zorgt dat kernfusietechnologie zijn kamer domineert.

"Kerry heeft gelijk, als hij zegt dat dat kernfusie een sleutelrol speelt in onze energietoekomst", zegt Lopes Cardozo. "In dezelfde toespraak benadrukte hij ook dat het de potentie heeft om onze wereld te revolutioneren. Maar voor het zover is, hebben we een revolutie nodig in de manier waarop we technologieŽn ontwikkelen, de snelheid waarmee we dat doen, en vervolgens hoe snel we ze in de maatschappij krijgen."

We hebben een revolutie nodig in de manier waarop we technologieŽn ontwikkelen, de snelheid waarmee we dat doen en vervolgens hoe snel we ze in de maatschappij krijgen.


Volgens Lopes Cardozo is het antwoord om eerder in het proces meer uit te geven, om in de toekomst meer te besparen. En dit alles moet gebeuren door tegelijkertijd verschillende technologische opties te steunen. "Dit komt neer op een waarde gestuurde aanpak, in plaats van de traditionele aanpak waarbij de wetenschap leidend is. We moeten ervoor zorgen dat de kernfusietechnologie sneller op de markt komt."

Particuliere financiering op de voorgrond

Voor kernfusie zijn er tekenen dat er verandering op komst is, als het gaat om meer opties voor de fusietechnologieŽn van de toekomst.

"Er is een toename in de hoeveelheid privťfinanciering die beschikbaar wordt gesteld aan bedrijven, zoveel dat het nu de financiering door overheden overtreft", merkt Lopes Cardozo op.

Om dit in perspectief te plaatsen: in de afgelopen twee jaar heeft de private sector in de VS $5,9 miljard binnen geharkt tegen het einde van 2023, in vergelijking met slechts $271 miljoen aan overheidsfinanciering. Om niet achter te blijven kijken grote overheden, waaronder de VS en Duitsland , naar manieren om deze particuliere investeringen aan te vullen. In Duitsland bijvoorbeeld wil het Federale Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) de eerste kernfusiecentrale van het land bouwen voor 2040.

KernfusietechnologieŽn

Er worden op dit moment verschillende kernfusietechnologieŽn ontwikkeld, maar de toonaangevende ontwerpen zijn nu tokamak en inertiŽle opsluiting.

Tokamak

Een tokamak is gebaseerd op het gebruik van magnetische velden die door externe magneten worden gecreŽerd om een plasma - een zeer hete toestand van materie die bestaat uit geÔoniseerde atomen en vrije elektronen - in de vorm van een torus, een donutvormig oppervlak, te houden. Sinds de eerste tokamak in 1954 werd gebouwd, zijn er vele iteraties van het apparaat ontworpen en getest.

Tegenwoordig is de bekendste tokamak misschien wel degene die wordt gebouwd als onderdeel van het ITER-project (International Thermonuclear Experimental Reactor). Dit is een project waarbij verschillende landen van over de hele wereld betrokken zijn die proberen ’s werelds grootste plasmaapparaat met magnetische opsluiting te bouwen en wat de grootste tokamakreactor ooit zou zijn.

InertiŽle opsluiting van fusie

Terwijl tokamaktechnologieŽn magneten gebruiken om plasma’s met hoge temperaturen op te sluiten, wordt bij inertiŽle opsluiting een andere aanpak gebruikt - het snel samenpersen en verhitten van kleine brandstofpellets die deuterium en tritium bevatten. Een van de manieren om de pellets samen te drukken is met behulp van een verzameling lasers.

De lasers worden afgevuurd op het doelwit, waardoor de brandstofkorrel implodeert. Dit leidt vervolgens tot compressie. Terwijl het materiaal samengeperst wordt, warmt het op en uiteindelijk wordt thermonucleaire ontsteking waargenomen.

Waarom is kernfusie zo ’hot’

Waarom is kernfusie op dit moment zo in trek bij investeerders?

De theoretische kennis snel toepasbaar zal worden in de praktijk.


"Daar is een eenvoudig antwoord op te geven. Er is grote technologische vooruitgang geboekt op het gebied van kernfusie. Dit wordt gezien als een kantelpunt in het kennisgebied, waar de theoretische kennis snel toepasbaar zal worden in de praktijk", zegt Lopes Cardozo. "De tokamak en het lasergestuurde ontwerp met inertiŽle opsluiting waren demeest toonaangevende ontwerpen voor reactoren, maar we zien nu dat er ook andere concepten komen bovendrijven. Bovendien is er onlangs belangrijke technologische vooruitgang geboekt op het gebied van kernfusie."

Eerste ontsteking

Ten eerste bereikten onderzoekers van de Amerikaanse National Ignition Facility (NIF)in december 2022 en voor het eerst iets dat in de naam van het instituut staat: ontsteking. "Dit is het moment waarop er netto energie vrijkomt in de reactor, of waarop de fusiereacties genoeg energie genereren om de omstandigheden in stand te houden voor een continue fusiereactie", zegt Lopes Cardozo.

Door middel van de inertiŽle opsluiting vuurden NIF-ingenieurs 192 lasers af op een gouden cilinder ter grootte van een erwt die een bevroren deuteriumen tritiumkorrel bevatte. De temperaturen stegen letterlijk tot astronomisch niveau en de twee waterstofisotopen begonnen samen te smelten tot heliumatomen, waarbij extra energie vrijkwam.

Succes herhaald

Ten tweede, waarbij we even snel doorspoelen naar het einde van 2023, registreerde hetzelfde instituut haar vierde succesvolle ontsteking. Dergelijke experimentele herhalingen hebben de aandacht getrokken van de regering Joe Biden, zoals blijkt uit de COP28-toespraak van John Kerry. "Dankzij de herhaalde successen is er een golf van optimisme over de lasergebaseerde fusieaanpak van NIF", merkt Lopes Cardozo op. "Maar er zijn nog wel problemen met de efficiŽntie."

Het belangrijkste probleem waar Lopes Cardozo naar verwijst, heeft te maken met de energie die de lasers nodig hebbendie op de atomen worden afgevuurd. "Op dit moment is het lasersysteem niet erg efficiŽnt. 99% van de energie die nodig is om het systeem te ontsteken, gaat verloren voordat het nog maar zijn doel bereikt."

Meerdere problemen

Wat duidelijk blijkt uit het pad naar kernfusie is dat er meerdere problemen tegelijk moeten worden opgelost.

"We hebben nieuwe materialen nodig om de reactoren te bouwen. En we hebben de materialen zelf nodig om de fusie-energie op te wekken. Of dat nu gebeurt met atoomkorrels of met een plasma. Vervolgens heb je geavanceerde lasers en/of supergeleiders nodig. En om de reactoren daarna te ontwerpen en de reacties numeriek te bestuderen, hebben we de best mogelijke computermodellen nodig", zegt Lopes Cardozo. "Voor dit alles hebben we de beste mensen nodig, met de beste opleiding en de beste training."

Toonaangevend in onderwijs

Hoewel er de laatste tijd indrukwekkende vooruitgang is geboekt op het gebied van kernfusietechnologie en er ongeŽvenaard veel geld is geÔnvesteerd, zullen de echte voordelen van deze inspanningen alleen zichtbaar worden, als er medewerkers met de juiste vaardigheden beschikbaar zijn om fusietechnologie te implementeren en te onderhouden.

"Om dit allemaal mogelijk te maken, hebben we de beste mensen met de beste opleiding en training nodig", zegt Lopes Cardozo.

Een quote van Dennis Whyte, bekend MIT-professor op het gebied van fusietechnologie op basis van magnetische opsluiting, luidt als volgt: "Een van de weinige dingen die Europa goed doet, is onderwijs.

"Professor Whyte heeft 100% gelijk. En het onderwijsprogramma van de TU/e op het gebied van kernfusie is daar een bewijs van. Het is het beste en grootste in Europa", zegt Lopes Cardozo met enorme trots.

Het onderwijsprogramma van de TU/e op het gebied van kernfusie is het beste en grootste in Europa.


De afgelopen vijf jaar deden gemiddeld dertig studenten de gespecialiseerde master van de TU/e over de wetenschap en technologie van kernfusie. "Er zijn andere kernfusieprogramma’s in Europa, zoals in Praag, Rome en York. In de rest van de wereld zijn er niet echt andere vergelijkbaar grote opties", zegt Lopes Cardozo.

En daarom is het speciale programma van de TU/e zo belangrijk. Lopes Cardozo: "In Nederland hebben we de enige fusie masteropleiding. Studenten van andere universiteiten komen naar ons voor hun kernfusie-opleiding. Elk jaar bestaat de groep studenten uit ongeveer een derde van de TU/e, een derde van andere Nederlandse universiteiten en een derde van over de hele wereld."

De behoefte aan continuÔteit en meer afgestudeerden

Hoeveel afgestudeerden blijven echter in het kernfusieveld? "Uiteindelijk blijft ongeveer een derde werken aan kernfusie, terwijl de rest hun vaardigheden inzet op andere gebieden", zegt Lopes Cardozo.

Nu het kernfusietijdperk voor de deur lijkt te staan, staat het probleem centraal om voldoende kernfusiewetenschappers op te leiden, om ervoor te zorgen dat er ‹berhaupt een kernfusietijdperk komt.

Honderd miljoen werknemers nodig

Lopes Cardozo: "Als we willen dat kernfusie een aanzienlijk deel van het energiesysteem uitmaakt, hebben we het over zo’n tienduizend centrales. De industrie die nodig is om die te bouwen en te exploiteren vertegenwoordigt ongeveer honderd miljoen banen. Hoewel slechts een fractie van dat personeelsbestand bestaat uit zeer specialistische kernfusie-ingenieurs, is dat nog steeds een groot aantal!"

Om dit aantal werknemers in perspectief te plaatsen: over vijftig jaar zal de wereldbevolking waarschijnlijk tien miljard mensen tellen. Dit betekent dat tussen een en twee procent van de wereldbevolking dan werkt aan kernfusie. En deze werknemers zijn dan overal ter wereld nodig.

Het effect van het kernfusie-onderwijsprogramma van de TU/e is nu al wereldwijd merkbaar. "Onze studenten lopen stage over de hele wereld. Ze gaan naar overheidslaboratoria en de industrie in landen als Japan, de VS, AustraliŽ, Canada en het VK - naast natuurlijk bijna alle EU-landen", zegt Lopes Cardozo.

Mensen proberen hun studenten dicht bij huis te houden. Wij doen het tegenovergestelde - we sturen ze de wereld rond.


Dit is een verschil met andere onderwijsprogramma’s dat Lopes Cardozo graag wil benadrukken. "Anderen proberen hun studenten dicht bij huis te houden. Wij doen het tegenovergestelde: we sturen ze de wereld rond. Ze maken meteen deel uit van de kernfusie race en ze verspreiden ondertussen het nieuws over de onderwijsaanpak van de TU/e."

Vertrouwen houden

Kernfusie kan niet eeuwig nog dertig jaar duren. Uiteindelijk zullen de wetenschappelijke inspanningen van al die wetenschappers gebruikt worden, door een kleine groep om het voor elkaar te krijgen. En Lopes Cardozo denkt niet dat dit een utopie is, maar dat het een waarschijnlijkheid wordt.

"Ik denk dat we de eerste werkende reactoren binnen ongeveer 15 jaar zullen zien, nog voor het jaar 2040", zegt Lopes Cardozo.

Dit optimisme wordt gevoed door de verzameling transformaties die het vakgebied de afgelopen twee jaar heeft doorgemaakt. Daarbij vullen particuliere investeringen de wetenschappelijke ontdekkingen aan en beginnen overheden de sleutelrol te erkennen die kernfusie kan spelen in de energietransitie.

Ik heb vertrouwen in wat we doen. We zijn op de goede weg.


In de COP28 verklaring gaf John Kerry ook aan dat we "steeds dichter bij een door kernfusie aangedreven realiteit komen". Dit klinkt misschien overdreven optimistisch gezien de technologische uitdagingen die nog opgelost moeten worden, maar Lopes Cardozo heeft er alle vertrouwen in dat Kerry gelijk gaat krijgen.

"Ik heb vertrouwen in wat we doen", zegt Lopes Cardozo terwijl de grote artistieke impressie van de ITER aandachtig toekijkt terwijl we ons gesprek afronden. "Ik zie wat er hier aan de TU/e gebeurt op het gebied van onderzoek en uitmuntend onderwijs. Ik zie wat er wereldwijd gebeurt en wat er gebeurt met startups op het gebied van kernfusie. We zijn op de goede weg."

Afscheidsrede

Professor Niek Lopes Cardozo houdt zijn afscheidsrede op donderdag 23 mei in de Blauwe Zaal van het Auditoriumgebouw op de TU/e-campus.

Zijn lezing is getiteld "Fusion Power, Really? A gift from the super-rich? Should we accept?"

Meer informatie over de lezing en de aanmeldlink vind je hier.