De aanpak van de productie van fusie-energie in het Verenigd Koninkrijk kreeg vorm met de aankondiging van het STEP-programma (Spherical Tokamak for Energy Production) in 2019. De eerste fase (2019-2024) is beëindigd met de release van een conceptontwerp voor de geïntegreerde fusieprototype-energiecentrale. Het zal gebaseerd zijn op het gebruik van een magnetisch veld voor het opsluiten van plasma met behulp van een tokamakmachine, maar het Britse STEP zal een sferische tokamak gebruiken in plaats van de traditionele donutvormige tokamak die bij ITER wordt gebruikt. Er wordt gedacht dat een sferische tokamak verschillende voordelen heeft. De centrale zal worden gebouwd in Nottinghamshire en zal naar verwachting begin jaren 2040 operationeel zijn.
De behoefte aan een betrouwbare bron van schone energie om te voldoen aan de groeiende vraag naar energie van de groeiende wereldbevolking en economie, en om snel de uitdagingen het hoofd te bieden (zoals de eindigheid van fossiele brandstoffen, koolstofemissies en klimaatverandering, milieurisico's in verband met kernsplijtingsreactoren en de slechte schaalbaarheid van hernieuwbare bronnen), is nog nooit zo groot geweest als nu.
In de natuur voedt kernfusie sterren, waaronder onze zon, die plaatsvinden in de kern van de sterren waar fusieomstandigheden (d.w.z. extreem hoge temperaturen in het bereik van honderden miljoenen graden Celsius en druk) heersen. Het vermogen om gecontroleerde fusieomstandigheden op aarde te creëren is de sleutel tot onbeperkte schone energie. Dit omvat het bouwen van een fusieomgeving met een zeer hoge temperatuur om botsingen met hoge energie uit te lokken, die voldoende plasmadichtheid heeft om de kans op botsingen te vergroten en die plasma voor een voldoende lange duur kan opsluiten om fusie mogelijk te maken. Uiteraard zijn infrastructuur en technologie om oververhit plasma op te sluiten en te controleren de belangrijkste vereisten voor commerciële exploitatie van fusie-energie. Verschillende benaderingen worden over de hele wereld onderzocht en toegepast voor plasma-opsluiting voor commerciële realisatie van fusie-energie.
Inertiële opsluitingsfusie (ICF)
Bij de inertiële fusie-aanpak worden fusieomstandigheden gecreëerd door een kleine hoeveelheid fusiebrandstof snel samen te drukken en te verhitten. De National Ignition Facility (NIF) bij Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) gebruikt lasergestuurde implosietechnieken om capsules gevuld met deuterium-tritiumbrandstof te imploderen met behulp van laserstralen met hoge energie. NIF bereikte voor het eerst fusie-ontsteking in december 2022. Vervolgens werd fusie-ontsteking drie keer gedemonstreerd in 2023, wat het bewijs van het concept bevestigde dat gecontroleerde kernfusie kan worden benut om aan energiebehoeften te voldoen.
Magnetische opsluiting van plasma-benadering
Het gebruik van magneten om plasma voor fusie op te sluiten en te controleren wordt op veel plaatsen geprobeerd. IITER, de meest ambitieuze fusie-energiesamenwerking van 35 landen gevestigd in St. Paul-lez-Durance in Zuid-Frankrijk, gebruikt een ringtorus (of donutmagnetisch apparaat) genaamd tokamak, die is ontworpen om fusiebrandstof voor lange perioden op te sluiten bij temperaturen die hoog genoeg zijn om fusie-ontsteking te laten plaatsvinden. Een toonaangevend plasma-opsluitingsconcept voor fusiecentrales, tokamaks kunnen de fusiereactie gaande houden zolang er plasmastabiliteit is. De tokamak van ITER wordt 's werelds grootste.
Het Britse STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) fusieprogramma:
Net als ITER is het STEP-fusieprogramma van het Verenigd Koninkrijk gebaseerd op magnetische opsluiting van plasma met behulp van tokamak. De tokamak van het STEP-programma zal echter bolvormig zijn (in plaats van de donutvorm van ITER). Een bolvormige tokamak is compact, kosteneffectief en kan gemakkelijker worden opgeschaald.
Het STEP-programma werd in 2019 aangekondigd. De eerste fase (2019-2024) is afgerond met de publicatie van een conceptontwerp voor de geïntegreerde fusieprototype-energiecentrale.
Een themanummer van Philosophical Transactions A van de Royal Society, getiteld “Het leveren van fusie-energie – De sferische tokamak voor energieproductie (STEP)"bestaande uit 15 peer-reviewed papers werd op 26 augustus 2024 gepubliceerd, waarin de technische voortgang van het programma voor het ontwerpen en bouwen van de eerste prototype-centrale van het Verenigd Koninkrijk voor de productie van elektriciteit uit fusie wordt beschreven. De papers geven een compleet overzicht van de vereiste ontwerp- en schetstechnologieën en hun integratie in een prototype-centrale begin jaren 2040.
Het STEP-programma wil de weg vrijmaken voor de commerciële levensvatbaarheid van fusie door netto-energie, brandstofzelfvoorziening en een haalbare route naar fabrieksonderhoud te demonstreren. Het hanteert een holistische benadering om een volledig operationele prototypefabriek te leveren die ook ontmanteling als onderdeel van het ontwerp beschouwt.
***
Referenties:
- Britse regering. Persbericht – VK is wereldleider in het ontwerp van kernfusiecentrales. Gepubliceerd op 03 september 2024. Beschikbaar op https://www.gov.uk/government/news/uk-leading-the-world-in-fusion-powerplant-design
- 'Delivering Fusion Energy – The Spherical Tokamak for Energy Production (STEP). De thema-editie van Philosophical Transactions A van de Royal Society. Alle 15 peer-reviewed artikelen in het themanummer gepubliceerd op 26 augustus 2024. Beschikbaar op https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2024/382/2280
- Britse onderzoekers onthullen glimp van ontwerpen voor nieuwe fusiecentrale. Science. 4 september 2024. DOI: https://doi.org/10.1126/science.zvexp8a
***
Gerelateerde artikelen
- Brown Dwarfs (BDs): James Webb-telescoop identificeert het kleinste object dat op een sterachtige manier is gevormd (5 januari 2024)
- Fusion Ignition wordt realiteit; Energie-break-even behaald bij Lawrence Laboratory (15 december 2022)
***
