Kernfusie

Kernfusie is het samensmelten van de kernen van verschillende atomen, waarbij een ander, zwaarder, d.w.z. verderop in het periodiek systeem gelegen element wordt gevormd. Wanneer atoomkernen van lichte elementen zoals waterstof samensmelten tot zwaardere kernen, komt hierbij iets van de massa vrij als kinetische energie (warmte), in het geval van waterstof tot helium ongeveer 0,67%. Vrij weinig omdat de fusie het aantal protonen en neutronen niet verandert, maar wel hun bindingsenergie, evenveel als nodig zou zijn om de zwaardere kern te splijten in lichtere. Het fuseren van zwaardere kernen kost daarentegen juist energie. De overgang tussen 'licht' en 'zwaar' ligt in deze context bij het element ijzer.

Voordat in 1938 de Duitse fysicus Hans Bethe het idee opperde dat de zon en de sterren hun energie opwekken door kernfusie, was het een raadsel waar al die energie vandaan kwam; alle in die tijd bekende chemische reacties leverden daarvoor veel te weinig op. De zon zet per seconde 600 miljoen ton waterstof om in 596 miljoen ton helium. Het verschil in de massa, vier miljoen ton, is in energie omgezet, waarbij de beroemde formule van Albert Einstein, E = mc², geldt. Kernfusie is ook de energiebron van een waterstofbom, die vele malen krachtiger bleek dan de in de jaren veertig ontwikkelde atoomsplitsingsbom.

Kernfusie is geen kettingreactie; er komen geen deeltjes bij vrij die een nieuwe fusie kunnen veroorzaken. Het proces kan slechts aan de gang gehouden worden onder extreem hoge temperatuur en druk, zoals die rond het middelpunt van een ster heersen. Kernfusie laat, in tegenstelling tot kernsplijting, niet noodzakelijkerwijs radioactieve materialen achter als afval. Daarom proberen wetenschappers kernfusie op aarde te ontwikkelen als schone en veilige energiebron. Het vat waarbinnen de reactie plaatsvindt kan echter door bestraling wel radioactief worden.

Reactie

Bij de kernfusie die voor gebruik in fusiereactoren toegepast wordt, worden een deuteriumkern (waterstof met 1 neutron) en een tritiumkern (waterstof met 2 neutronen) omgezet in een heliumkern, energie, en een neutron.

De formule: D + T ⇒ ⁴He + n + 17,6 MeV

Hierbij staat het getal 17,6 voor de vrijkomende energie, in mega-elektronvolt.

Waterstof bestaat voor ca 0,02% uit deuterium; dat is ruim voldoende is voor kernfusiereactoren. Maar tritium bestaat vrijwel niet in de natuur; het moet gekweekt worden door lithium te splijten in een mantel om het reactorvat met de neutronen die vrij komen bij de DT reactie.

Formule: ⁶Li + n ⇒ ⁴He + T

Om kernen te laten samensmelten is er een grote kinetische energie nodig om de kernen bij elkaar te brengen, die al van hun elektronenschillen ontdaan moeten zijn. Een gas dat bestaat uit positief geladen atoomkernen en negatieve vrije elektronen is een plasma, dat wel de vierde aggregatietoestand genoemd wordt. Pas wanneer de kernen dicht genoeg bij elkaar komen krijgt de aantrekkende sterke kernkracht er vat op en kan de afstotende kracht tussen positieve kernladingen tenietgedaan worden en vindt er fusie plaats. Atoomkernen hebben in principe voldoende snelheid bij ca. 15 miljoen graden Celsius. Voor een acceptabele fusieopbrengst moet de temperatuur echter nog ongeveer tien keer hoger liggen, ca 150 miljoen graden Celsius.

Om de atomen onder aardse omstandigheden zo heet te krijgen dat ze een plasma worden, wordt er vaak een elektrische stroom door het gas gestuurd of worden de atoomkernen bestraald met microgolfstraling.

Magnetische opsluiting

Geen enkel materiaal kan de voor fusie benodigde temperaturen weerstaan. In de fusiereactor moet het plasma dus altijd op veilige afstand worden gehouden van de wand. Om hiervoor te zorgen wordt het plasma vastgehouden in een magnetisch veld: atoomkernen zijn positief geladen en de Lorentzkracht op de kernen zorgt ervoor dat het plasma in het magnetisch veld een min of meer cirkel- of spiraalvormige baan rond de veldlijnen gaat beschrijven. Het magneetveld is zo gevormd dat kernen die uit de cirkel willen ontsnappen daarin door de Lorentzkracht worden teruggeduwd. Voorbeelden van machines die volgens dit principe werken zijn de tokamak en de stellarator.

Traagheidsopsluiting

Bij een tweede methode om tot beheerste kernfusie te komen worden kleine holle bolletjes, gevuld met een deuterium-tritium mengsel, van meerdere kanten beschoten met hoogvermogen energiebundels (lasers). De buitenzijde van het bolletje ontploft, waardoor de inhoud wordt gecomprimeerd, zodat kernfusie kan optreden. Tientallen bolletjes zouden op deze manier per seconde tot kernfusie moeten worden gebracht om tot een substantiële energieopbrengst te komen. Met name in de VS wordt met deze methode geëxperimenteerd. Rekenprogrammatuur die voor de compressie van de bolletjes wordt gebruikt komt overeen met die welke bij de ontwikkeling van waterstofbommen wordt toegepast. De laserapparatuur die bij dit type onderzoek wordt gebruikt is omvangrijk. Deze route naar beheerste kernfusie voor grootschalige elektriciteitsopwekking heeft mondiaal gezien niet de grootste prioriteit.

Wetenschappelijk onderzoek

Het doel van het internationale fusieonderzoek is het realiseren van een prototype fusie-energiecentrale die voldoet aan de eisen die de maatschappij daaraan stelt: veilig, betrouwbaar, ruim voorradige brandstof, minimale milieubelasting en economisch rendabel. In het laatste decennium is er belangrijke wetenschappelijke en technische vooruitgang geboekt in het fusieonderzoek. Het grote probleem is altijd geweest hoe de reactie 'op te sluiten'. Bij de meeste experimentele installaties wordt daarbij het hiervoor genoemde principe van magnetische opsluiting gebruikt. De implementatie hiervan is technisch een grote uitdaging.

In 1979 werd in Groot-Brittannië begonnen met de bouw van de Joint European Torus (JET) en in 1983 werd deze in bedrijf genomen. De JET was de eerste tokamak ter wereld waarin met de echte fusiebrandstof, deuterium en tritium, gewerkt werd. In deze centrale is het gelukt om 16 megawatt aan vermogen op te wekken, maar om zover te komen was 25 megawatt nodig. Hoewel er dus een negatieve netto energieproductie was, is de JET wel nog steeds wereldrecordhouder opwekking fusie-energie.

Sinds 2006 werkt de fusie-gemeenschap aan een groot internationaal fusie-experiment, de ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), een project tussen Europa, Rusland, de VS, Japan, China, India en Zuid-Korea. De eerste testen met plasma worden verwacht in 2025 en de echte fusie-experimenten in 2035. ITER zal 500 megawatt produceren, tien maal meer dan nodig is om de reactie op gang te brengen. De reactor wordt in Cadarache (Zuid-Frankrijk) gebouwd.

Een aantal wetenschappers doet onderzoek naar koude kernfusie, kernfusie bij kamertemperatuur. Tot nu toe blijken hun pogingen niet reproduceerbaar, en deze lijn van onderzoek wordt weinig serieus genomen. Er zijn claims van Pons en Fleischmann geweest, en claims van kernreacties bij proeven in gedeutereerd aceton, waarbij minieme belletjes in een vloeistof krachtig collaberen. Beide zijn onbewezen.

Magnetische opsluiting zou ook kunnen worden bereikt door het aanmaken van plasmoïden. Dit zijn zeer kleine bolletjes plasma die hun eigen magnetische veld voor korte tijd in stand kunnen houden. Machines die dit principe toepassen worden aangeduid met de Engelse benaming Dense Plasma Focus (DPF). Of deze methode in de praktijk zal werken als energiebron moet nog worden aangetoond. Hier wordt onderzoek naar gedaan in de Verenigde Staten.

In Nederland werd kernfusie onderzocht door FOM (Fundamenteel Onderzoek van Materie) aan het Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, te Nieuwegein. In 2009 is dit hernoemd tot DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) en in 2015 verhuisd naar de TU Eindhoven. In België wordt fusie-onderzoek gedaan bij het Laboratorium voor Plasmafysica van de Koninklijke Militaire School te Brussel.

Zie ook

• plasmafysica
• kernenergie
• nucleosynthese

Externe links

• FOM Rijnhuizen FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen
• SCK.CEN Studiecentrum voor Kernenergie Mol, België
• ITER-NL ITER portal voor de Nederlandse industrie

Bronvermelding

Bronnen, noten en/of referenties:

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Fusion op Wikimedia Commons.