Kernfusie, een zon op aarde

Het onderzoek naar kernfusie vond zijn oorsprong rond 1920. In dat jaar ontdekte de fysicus F.W. Aston met zeer nauwkeurige experimenten dat vier waterstof atomen zwaarder zijn dan één helium atoom. Het belang van deze ontdekking werd onmiddellijk ingezien door de briljante Engelse astrofysicus Sir Edmund Eddington, die besefte dat het verschil in massa betekende dat de zon kan branden door waterstof in helium om te zetten, waarbij het massaverschil van 0.7% - volgens Einsteins beroemde relatie tussen massa en energie E=mc² - in energie wordt omgezet. Berekeningen toonden aan dat de zon op die manier nog voldoende brandstof had voor miljarden jaren. Al in 1938 werden in de VS experimenten opgezet die probeerden een heet plasma met magnetische velden op te sluiten.

Kort na de tweede wereldoorlog was er een internationale golf van interesse voor het beheersen van kernfusie, en in vele landen werden experimenten opgezet. Omdat men dacht dat het onderzoek militair belang had, waren de meeste experimenten geheim, en was er nog geen sprake van internationale samenwerking. Dat veranderde in 1958, tijdens de "Atoms for Peace" conferentie in Geneve. Tijdens die conferentie onthulden vele landen, waaronder Rusland en de VS, de resultaten van hun fusieprogramma's. Men besefte dat beheersbare fusie-energie mogelijk was, maar men besefte ook dat ten gevolge van plasma-instabiliteiten en andere problemen het geen eenvoudige taak zou zijn.

Om de technologische en wetenschappelijke problemen het hoofd te bieden, werd eind jaren vijftig besloten het onderzoek geheel internationaal op te zetten. In Europa werden associaties opgezet tussen het Europese atoomagentschap EURATOM en de wetenschappelijke instituten van de lidstaten. In Nederland werd in 1958 het FOM-instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen opgericht, met onderzoek naar kernfusie als doel.

Een doorbraak in het kernfusieonderzoek vond plaats in 1968, toen Russische onderzoekers bekend maakten dat ze ongekende resultaten hadden bereikt met een tokamak: een speciale geometrie met de vorm van een torus. In 1969, nog in de koude oorlog, reisde een brits team af naar Moskou, waar ze de resultaten van hun Russische collega's bevestigden. Vanaf dat tijdstip werden er in hoog tempo overal ter wereld tokamakexperimenten ontworpen en in bedrijf genomen.

De huidige generatie moderne, grote tokamaks lagen in de jaren zeventig op de tekentafel. De Joint European Torus (JET), gelegen vlakbij Oxford in Engeland, kwam in 1983 in bedrijf. Andere grote tokamaks staan in Duitsland, Frankrijk, Japan en de VS. In de huidige generatie tokamaks worden routinematig fusieplasma's van honderden miljoenen graden opgewekt en minutenlang in stand gehouden.

Figuur 13. Een kijkje in de torus van de Joint European Torus bij Oxford, Engeland. De persoon links op de foto toont de schaal: de torus is ongeveer vier meter hoog.

Het ontwerp van JET, het grootste fusie-experiment ter wereld, begon in 1973. In 1979 startte de bouw, en het experiment werd in 1983 in bedrijf genomen. JET was de eerste tokamak ter wereld waarin met de echte fusiebrandstof, deuterium en tritium, gewerkt werd. JET is nog steeds recordhouder van het wereldrecord opwekking fusie-energie: in 1997 werd gedurende 1 seconde 16 Megawatt opgewekt, en een continu fusievermogen van 4 MW gedurende 4 seconden. JET is nu een Europese gebruikersfaciliteit waar honderden wetenschappers uit Europa, Japan, de VS en Rusland onderzoek komen doen [6].