Renaissance Fusion, een start-up uit Grenoble, wil de energieproductie decarboniseren met kernfusietechnologie. Zoals eerder dit jaar werd aangekondigd, haalde het bedrijf vijftien miljoen euro aan financiering op van investeerders als Lowercarbon Capital, Positron Ventures en Norrsken VC. In de jaren dertig moet er een kernfusiereactor met een capaciteit van 1 gigawatt staan; voldoende om een miljoen huishoudens van stroom te voorzien. Nogal een opgave, want een economisch rendabele energiebron is kernfusie op dit moment nog niet.
- Renaissance Fusion wil de energieproductie koolstofvrij maken door middel van kernfusietechnologie;
- Het bedrijf richt zich op de Stellarator-reactor, die een magnetisch veld gebruikt voor fusiereacties.
Lesje natuurkunde
Allereerst: wat is kernfusie precies? De naam zegt het al: kernfusie vindt plaats wanneer atoomkernen samensmelten. In de normaalsituatie stoten atoomkernen elkaar af, omdat ze positief geladen zijn. Fusie vindt plaats wanneer de atoomkracht sterker wordt dan de elektromagnetische kracht. Deze reactie vindt alleen plaats onder hele hete temperaturen en hoge druk. Door de hoge temperatuur gaan moleculen van de gasfase over in een mengsel van vrij bewegende atoomkernen en elektronen. In de natuurkunde wordt dit ‘plasma’ genoemd; een materietoestand die verschilt van vaste stoffen, vloeistoffen en gassen.
In het heelal vindt dit proces continu plaats. De intense hitte van de zon zorgt ervoor dat waterstofatomen samensmelten tot helium. Hierbij komt genoeg energie vrij voor de zon om te branden.
Veel potentie, heel gecompliceerd
Het zou dus handig zijn als we dit proces op een gecontroleerde manier op aarde kunnen laten plaatsvinden. Het fusieproces zou in potentie vier keer meer energie per kilogram brandstof kunnen opwekken dan kernsplijting, en bijna vier miljoen keer meer energie dan de verbranding van olie of kolen. In tegenstelling tot de huidige kernreactoren die afhankelijk zijn van kernsplijting, worden fusiereactoren als intrinsiek veilig beschouwd en produceren ze minimale hoeveelheid radioactief afval.
Dan nu de kink in de kabel: het opwekken van kernfusie is een complex proces. Er wordt al sinds de jaren veertig aan gewerkt en de doorbraak laat nog (steeds) op zich wachten. Op dit moment zijn er grofweg drie manieren om elektriciteit te winnen uit kernfusie.
1. Laser Fusion; hier wordt een capsule gecomprimeerd tot zeer hoge druk door hele krachtige lasers. De nadelen: voor 1kWh aan plasma is er 100 kWh laser fusie nodig. Niet echt rendabel dus. Daarnaast zijn deze lasers gepulseerd, wat betekent dat ze een lage herhalingssnelheid hebben.
2. Tokamaks. Deze reactor komt op dit moment het dichtst bij rendabele energie uit kernfusie. Het is een torusvormig apparaat waarin plasma met behulp van sterk magnetische velden in toom wordt gehouden. Onder andere de kernfusiereactor ITER van het Eindhovense instituut DIFFER is rondom een tokamaks gebouwd. De nadelen: ook deze apparaten zijn gepulseerd en de stroomcirculatie in het plasma maakt het proces onstabiel.
3. Nu de reactor waar Renaissance Fusion op in zet: de Stellarator. Net als bij de Tokamaks, wordt met behulp van een magneetveld een reactie opgewekt. Het grote verschil: er is geen stroom in het plasma nodig, waardoor een de reactor eenvoudiger te bedienen is, minder energie nodig heeft en het proces verloopt stabiel in plaats van gepulseerd. Het enige nadeel: de maakbaarheid van de magneten vanwege hun complexe 3D-vorm.
Eenvoudige spoelen, complexe magnetische velden
“Om kernfusie te laten plaatsvinden, heb je een sterk, complex en accuraat magnetisch veld nodig. Bij Renaissance Fusion willen we laten zien dat eenvoudige spoelen ook complexe magnetische velden kunnen opwekken”, legt Simon Belka, chief movement builder bij de start-up, uit. “We bouwen spoelen door supergeleidend materiaal op cilinders te deponeren en we geven het stroompad vorm met behulp van een lasergraveertechniek. Op die manier veranderen we een 3D-probleem in een 2D-probleem, waardoor het zeven keer sneller gaat.”
Daarvoor maakt Renaissance Fusion gebruik van tweede generatie supergeleiders. Belka: “Met deze materialen kunnen zeer hoge stromen circuleren wanneer ze worden afgekoeld tot onder 77 Kelvin (- 196 graden Celsius), waardoor zeer sterke magnetische velden worden gecreëerd. Door het magnetische veld te verdubbelen, kunnen we de grootte van de reactor met een factor vier verkleinen. Dit maakt de reactor goedkoper en gemakkelijker te produceren. Onze magneettechnologie maakt ook een betere opsluiting mogelijk, wat essentieel is om de efficiëntie te bereiken die nodig is voor commerciële fusie.”
Liquide muren
De andere sleuteltechnologie zijn vloeibare schilden. Deze zijn ontworpen om de reactorwanden te beschermen tegen het hete plasma en de neutronen te absorberen die tijdens de fusiereactie worden geproduceerd. De schilden bestaan uit een stroom vloeibaar metaal, lithium, dat de wanden tussen het plasma en de reactor bedekt. Verwacht wordt dat deze aanpak het niveau van radioactiviteit in de reactor aanzienlijk zal verlagen.
Door 99 procent van de neutronen te absorberen, voorkomen de schilden dat de neutronen het materiaal rond de reactor besmetten. Bovendien wordt het lithium niet radioactief en absorbeert het ook de hitte van de reactie, waardoor het gemakkelijker te beheersen is. Een bijkomend voordeel is dat lithium, wanneer het in botsing komt met een neutron, tritium genereert, een van de twee brandstoffen van de fusiereactie, waardoor vijftig procent van de benodigde brandstof wordt geregenereerd.
Stap voor stap
Het klinkt goed, maar het Technology Readiness Level (TLR) is nog laag. De eerste stap is het succesvol demonstreren van de twee kerntechnologieën (het controleren van de neutronen met liquide muren, en het gebruik van een nieuwe generatie supergeleiders die een sterk magnetisch veld opwekken). “Zodra dat gelukt is, willen we een prototype reactor bouwen waarmee we laten zien dat ons concept meer energie oplevert dan het kost. De laatste stap is het realiseren van een commerciële Stellarator reactor. Die moet in de jaren dertig af zijn”, vertelt Belka. Het Franse bedrijf is niet van plan om de reactoren zelf te exploiteren, maar wil ze verkopen.
Een verschil maken
Het is anderhalf jaar geleden dat Belka zich definitief aansloot bij het bedrijf van oprichter Francesco Volpe, maar officieus is hij al sinds de oprichting van Renaissance Fusion in 2019 betrokken. Belka kijkt terug op een hectische tijd. “Het is heel intens, ik doe heel veel nieuwe dingen: pitchen, afspraken met hogere overheden. Ik kom uit de industrie, waar alles volgens stappenplannen en procedures verloopt. Bij een start-up is er veel meer onzekerheid, en heb je dus een andere aanpak nodig.”
Na vijftien jaar als projectmanager te hebben gewerkt in de luchtvaart- en auto-industrie, wilde Belka iets doen waar hij écht iets kan betekenen. “We willen het energieprobleem tackelen, de productie van energie decarboniseren met een nieuwe generatie van nucleaire energie. Dat ik daar nu aan kan bijdragen, maakt alle hectiek en onzekerheid dubbel en dwars waard.”
De uitdagingen – financiering (voor het ontwikkelen van de technologie heeft de start-up miljarden nodig), het vinden van talent, wetgeving die achterloopt – zijn vergelijkbaar met die de gemiddelde deeptech start-up. Daar komt bij, dat omdat de technologie zo jong is en zich nog moet bewijzen, het vaak als een race tegen de klok voelt. Er zijn op dit moment zo’n veertig start-ups die werken aan een vergelijkbare technologie. Allemaal richten ze op een goed functionerende reactor in de nieuwe jaren dertig.
Belka: “Wij zijn inmiddels op een punt beland waar we het gevoel hebben dat we met te veel zijn. Ergens is die diversiteit iets goeds. We volgen niet allemaal precies hetzelfde pad, het is goed dat er meerdere opties worden onderzocht. Maar het heeft ook geen zin om allemaal het wiel uit te vinden. Allemaal wil je de eerste zijn; enerzijds voelt het soms als een rat race, anderzijds is het een grote motivatie. Ik zou mijn baan voor geen goud meer inruilen voor een baan bij een corporate.”
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
