Kernfusie
Kernfusie is een nucleaire reactie, die ook plaatsvindt in onze zon en andere sterren. Waterstofatomen fuseren door deze op hoge snelheid tegen elkaar te laten botsen, waardoor helium ontstaat. Tijdens deze fusie komt ongelofelijk veel energie vrij. Als deze energie gecontroleerd en vervolgens gewonnen kan worden, zou dit gelijk staan aan een bijna onbeperkte bron van emissievrije energie. In tegenstelling tot kernsplitsing, ontstaan er bij kernfusie geen radioactieve bijproducten, ofwel afval. Per seconde wordt er in de kern van de zon 620 miljoen ton aan waterstofatomen gefuseerd tot 616 ton heliumatomen. Eén gram waterstof ‘verbranden’ in een fusiereactor levert 90.000 kilowattuur op; hetzelfde als 11.000 kilo steenkool.
Kernfusie produceert namelijk alleen energie op extreem hoge temperaturen van honderden miljoenen graden Celsius. Dat is te heet voor solide materialen. De vrijgekomen energie moet daarom ‘gevangen’ en in stand gehouden worden door magnetische velden, zodat het niet in contact komt met de kernfusiereactor zelf.
Die velden gaan nu worden opgewekt door hoge temperatuur supergeleiders. Zij kunnen een veld creeren dat vier keer zo sterk is als de huidige standaard. Een dergelijk magnetisch veld moet het mogelijk maken om de opgewekte energie vertienvoudigen.
Zap energy
In (2024) is het Amerikaanse kernfusiebedrijf Zap Energy erin geslaagd om in een reactor een temperatuur te bereiken die de hitte van de zon overstijgt (37 miljoen graden) via een techniek die afwijkt van andere kernfusieontwerpen en daardoor veel goedkoper is.
Zap injecteert als eerst gas in een reactor. Een stoot energie ioniseert dit gas tot plasma. Dit plasma draagt een elektrische lading tien keer zo hoog als een bliksemstraal. Het comprimeren en verwarmen van dit plasma, dat bestaat uit de brandstoffen deuterium en tritium, zorgt ervoor dat kernen botsen en samensmelten. Door dit proces komt hitte en elektriciteit vrij.
Al in de jaren 50 werd met Z-pinch kernfusie geëxperimenteerd. Het probleem was alleen dat het plasma te snel afkoelde waardoor fusie maar op zeer kleine schaal plaatsvond. Zap Energy zegt dit probleem te hebben opgelost met een proces dat het sheared-flow stabilization noemt.
Terwijl ze naar steeds hogere plasmastromen klimmen, optimaliseren ze de ‘sweet spot’ waar de temperatuur, dichtheid en levensduur van de Z-pinch samenkomen en een stabiel, krachtig smeltplasma vormen.
Uiteindelijk wil Zap Energy kleine kernfusiereactoren bouwen van zo'n 3 bij 3 meter. Deze reactoren moeten genoeg elektriciteit kunnen produceren voor een kleine stad. Wanneer we de eerste werkende reactor gaan zien, is onduidelijk.
Helion energy
Helion Energy is met Microsoft in zee gegaan om in 2028 50 MW uit fusie te produceren. Als het niet lukt krijgen ze boetes.
(2023)
Tomak energy
In 2023 zegt Tokamak Energy dat hun bolvormige tokamak-ontwerp efficiënter is dan de traditionele vorm, met lagere kapitaalinvesteringen, bedrijfskosten en een kleinere voetafdruk. (2023)
MIT en CFS verwachten deze supergeleidende elektromagneten binnen drie jaar te realiseren. Hierna wordt een pilotinstallatie op het gebied van kernfusie gebouwd, waarin deze magneten gebruikt worden. Deze kernfusiecentrale, genaamd SPARC, moet leiden tot ’s werelds eerste kernfusiecentrale die daadwerkelijk commercieel beschikbare energie opwekt. Deze centrale krijgt een verwachte capaciteit van 200 megawatt en moet binnen vijftien jaar klaar zijn.
Natuurkundigen proberen al sinds de jaren vijftig de fusie van waterstofatomen te controleren, maar vooralsnog zonder resultaat. Momenteel zijn er verschillende tests met kernfusie aan de gang. Bijvoorbeeld in Duitsland, waar de peperdure kernfusiereactor Wendelstein 7-X te vinden is.
Als je van waterstof 1 kg helium maakt komt er 600 miljoen MJ vrij. Als je 1 kg (1 liter) bezine verbrandt komt er 42 MJ vrij. Dus 1 kg He productie = 14 miljoen liter benzine.
Een les over kernfusie van het Koning Willem I College is hier te zien
zie www.fusie-energie.nl en www.iter-nl.nl De komende tijd is dit nog niet beschikbaar. 
In 2015 hebben Amerikaanse wetenschappers een nieuwe ontwikkeld. veel kleiner te zijn dan men aanvankelijk dacht. Dit maakt het systeem meteen een stuk goedkoper en makkelijker te produceren. Ter vergelijking: De krachtigste fusiereactor die momenteel in ontwikkeling is, heet ITER en heeft een prijskaartje van 40 miljard dollar. De wetenschappers van MIT hebben berekend dat hun ontwerp ongeveer dezelfde capaciteit heeft als ITER, maar twee keer zo klein is en slechts een fractie van de productiekosten bedraagt. De reactor moet in staat zijn om drie keer zoveel elektriciteit te produceren dan het verbruikt, maar aangezien het ontwerp zich nog in de startfase begeeft, is er veel ruimte voor verbetering. Men gaat er mee aan de slag.
Nadelen van Iter
Je kan de druk op de zon niet nabootsen in een reactor. Daarom moet je ipv waterstof, deuterium en tritium gebruiken. Het tritium moet worden gemaakt b.v. door de wanden van de reactor te laten bestaan uit lithium. Als dat een neutron ontvangt wordt het tritium. Maar het wandoppervlak is beperkt. Recycling kan, maar is ingewikkeld. De elektromagneten moeten gekoeld worden en de water- en vacuümpompen naast de tritiumrecycling kosten veel energie (en die kan men niet stilzetten).
De reactor vereist onfatsoenlijk veel koelwater. 12 m3 per seconde (genoeg voor een stad van 1 miljoen inwoners). (Volkskrant 26-5-2018).
Hier is een drone-filmpje te zien van het hele bouwproject in Frankrijk.
Maar fusie-experts zijn bang dat die kooi niet helemaal waterdicht is en dat er deeltjes kunnen ontsnappen. Als dat tegen hoge snelheid gebeurt en de deeltjes inslaan op delen van de reactorwand die daar niet tegen bestand is, dan kunnen er ernstige problemen ontstaan. In 2021 heeft men gevonden dat injectie van ijskoude ‘wolkjes’ deuterium in het plasma ‘losgeslagen elektronen’ die bijna tegen de lichtsnelheid bewegen kan vangen voordat ze uit het plasma wegvliegen. Het deuterium zal in ITER worden geïnjecteerd via een dertigtal luikjes die rondom de 30 meter brede reactor liggen. Zo zouden de losgeslagen elektronen tijdig te stoppen zijn.
In 2021 werd in een Chinese reactor 1059 seconden 120 miljoen graden celcius behaald met een spanningsrecord (1 miljoen ampere). Als het lukt om alledrie in één draaisessie te halen, is de reactor klaar voor de volgende stap.
In 2022 werd in het Verenigd Koninkrijk met JET een record van 59 megajoules aan warmte opgewekt. Het vorige record, uit 1997, stond op 21,7 megajoule.
Kleinere oplossingen
General fusion gebruikt geen lasers etc. Het schiet kolkende plasmaringen op elkaar door kleine openingen. Zuigers schieten dan naar buiten en evenhet plasma een extra opdonder waardoor temperatur en druk zodanig hoog worden dat deeltjes samensmelten. 
Eerste brandende plasma (2022)
Het lab wist met een krachtige laser (of eigenlijk een heleboel losse lasers, gebundeld tot één straal) plasma dusdanig warm te maken dat het uit zichzelf ging branden. Dat is uniek in 2022. Daarbij speelt de laser een belangrijke rol, maar ook het ‘reactorvat’ is uniek vormgegeven. Het vereist jaren van werk, computermodellen en continue aanpassing van het systeem om het plasma te laten branden.
Toch betekent deze doorbraak niet dat er binnenkort een fusiereactor is die stroom kan leveren. Want kort nadat de laser is uitgezet dooft het brandend plasma al. Hij produceert dus kortstondig energie, maar veel minder dan er nodig is om het brandende plasma te maken (zie ook de Volkskrant). Dit is een bekend probleem met de huidige fusiereactoren: er moet vooralsnog vele malen meer energie in dan er uit komt.
De vooruitgang van de Internationale Thermonucleaire Experimentele Reactor (ITER) inspireert vele start-ups, waaronder Zap Energy. Maar Zap overweegt een andere benadering van fusie. Het wil af van de dure koperen magneetspoelen die in tokamaks worden gebruikt. In plaats daarvan vertrouwt de firma op het elekromagnetische veld dat in het plasma zelf wordt opgewekt.
Dit is geen nieuwe aanpak. Onderzoekers experimenteren er al mee sinds de jaren 1950, maar de “z-pinch”-technologie is minder populair vanwege haar intrinsieke instabiliteit. Plasma heeft de neiging om zich te verdraaien en in te storten.
Toch is een team van wetenschappers van de Universiteit van Washington er in 2019 in geslaagd het probleem op te lossen door gebruik te maken van vloeistofmechanica. Via deze techniek wordt het plasma in feite voortdurend gladgestreken, zodat het niet vervormt en mogelijk nuttig kan zijn om voortdurend energie te produceren. Het pint het plasma vast binnen een betrekkelijk korte kolom en “knijpt” het totdat het heet en dicht genoeg wordt om kernfusie te laten plaatsvinden.
Lees ook: Private investeerders storten zich op kernfusie. Waarom?
China gaat reactor bouwen Klaar in 2028 (2022)
De reactor zal in 2028 zijn eerste plasma maken, waarna de installatie in 2035 volledig operationeel wordt. Men kernfusie creëren door een enorm sterke elektrische lading te gebruiken om deuterium en tritium, twee waterstofisotopen, te ontsteken. Daaruit ontstaat een elektrisch geladen gas: plasma. En dat levert energie op.
Fusiereactor in garage
Een van de onderzoekers in de studie is niemand minder dan Zap Energy-oprichter Uri Shumlak. Drie jaar na het werk dat het mogelijk maakte fusie te stabiliseren via wat in de vloeistofdynamica bekendstaat als afschuiving van de axiale stroming, verzekert de onderzoeker ons dat de simulaties van zijn experimentele reactor, de FuZE-Q, perfect werken.
Zijn ambitie is om zijn reactor zo klein mogelijk te maken zodat hij in de garage van een huis geplaatst kan worden om een huishouden continu van groene energie te voorzien. Maar hij wil ook hele steden kunnen voeden met grotere modellen. Zijn doel is de massaproductie van FuZE-Q-reactoren.
De volgende stap is het uitvoeren van echte tests met het prototype en het bereiken van resultaten die vergelijkbaar zijn met die van de simulaties. Daarna zullen de onderzoekers een manier moeten vinden om het energierendement van zijn reactor te verbeteren, want momenteel is het theoretische rendement nauwelijks voldoende om het verbruik te dekken. (2022)
Kleinere magneten
Onderzoekers van het Amerikaanse Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hebben een nieuw type magneet ontwikkeld voor kernfusiereactoren. De magneten nemen minder ruimte in beslag, wat allerlei voordelen heeft. Schone energie uit kernfusie komt hiermee een stapje dichterbij. (2022)