Gebruiker:ErikMin/Kladblok

Opzet artikel kernfusie

Dit artikel gaat over het natuurkundige proces. Voor onderzoek naar de toepassing in energiecentrales, zie Fusie-energie.

Schematische weergave van kernfusie tussen deuterium en tritium.

Kernfusie is het samensmelten van twee atoomkernen, waarbij een andere, zwaardere kern wordt gevormd. Wanneer de atoomkernen van lichte elementen zoals waterstof samensmelten, komt hierbij een deel van de interne bindingsenergie vrij. Dit proces is de energiebron van sterren en dus ook onze zon. Het fuseren van zwaardere kernen kost daarentegen juist energie. De overgang tussen 'licht' en 'zwaar' ligt in deze context bij het element ijzer.

Kernfusie kan alleen plaatsvinden onder extreem hoge temperatuur en druk, zoals die heersen in het centrum van sterren. Op aarde zijn zulke omstandigheden niet eenvoudig te bereiken en technologische toepassing is dan ook nog zeer beperkt. Kernfusie heeft echter wel een enorm potentieel als energiebron, omdat er grote hoeveelheden lichte atomen op aarde aanwezig zijn (met name waterstof en isotopen daarvan) waardoor de brandstof vrijwel eindeloos voorradig is. Daarnaast komen er bij het proces geen broeikasgassen vrij en minder radioactief afval dan bij kernsplijting. Daarom proberen wetenschappers kernfusie op aarde te ontwikkelen als schone en veilige energiebron. Hoewel hiermee grote vorderingen gemaakt zijn en de omstandigheden voor kernfusie inmiddels routinematig kunnen worden gecreëerd in gespecialiseerde laboratoria, is er anno 2020 nog geen prototype van een fusiereactor die daadwerkelijk energie produceert. Zie fusie-energie voor meer informatie over dit onderwerp.

Daarnaast wordt bij vrijwel alle huidige kernwapens de meeste energie geleverd door kernfusie, behalve eventueel bij een splijting-fusie-splijting ontwerp (zie: waterstofbom). Hierbij creëert een bom gebaseerd op kernsplijting de extreme omstandigheden die nodig zijn om de fusie-reactie in gang te zetten en fungeert dus in feite als de ontsteker. Dit proces is echter niet eenvoudig in te zetten voor vreedzame toepassingen of energieopwekking.

Proces

Bindingsenergie per kerndeeltje. Dingen zijn te zien.

Een atoomkern bestaat uit positief elektrisch geladen protonen en deeltjes zonder elektrische lading, de neutronen. De elektromagnetische kracht (of Coulombkracht) zorgt ervoor dat de protonen elkaar sterk afstoten. Dat de kern desondanks niet uit elkaar spat is omdat er een tweede kracht in het spel is, de sterke kernkracht. Deze aantrekkende kracht werkt zowel op protonen als op neutronen, maar alleen op extreem korte afstanden (ca. 10^-15 m). Op elke afstand buiten de atoomkern overheerst dus de elektromagnetische kracht.

In verschillende atomen en isotopen zijn verschillende hoeveelheden protonen en neutronen aanwezig. Dit betekent ook dat de balans tussen de twee eerder genoemde krachten verschillend kan zijn; de ene kern is sterker gebonden dan de andere. Dit is uit te drukken in de gemiddelde bindingsenergie per kerndeeltje, zie de grafiek hiernaast.

Helemaal links is hierin een waterstofkern ¹H te zien, waarvan de bindingsenergie nul is omdat ze uit een enkel proton bestaat. Verder naar rechts neemt de bindingsenergie toe met het aantal kerndeeltjes (of nucleonen), tot de top bereikt wordt bij nikkel-62. Dit is dus de sterkst gebonden kern (per nucleon), gevolgd door ijzer-58 en ijzer-56.. Nog verder naar rechts wordt de atoomkern dusdanig groot dat de sterke kernkracht niet meer de volle omvang van de kern overspant en de afstotende elektromagnetische kracht weer de overhand krijgt. De grotere en zwaardere kernen zijn daardoor minder stabiel.

De vorm van deze grafiek laat ook zien waarom zowel kernfusie als kernsplijting energie kan opleveren. Er komt energie vrij als de kernen van een lage bindingsenergie per nucleon naar een hogere bindingsenergie gaan. Dit kan door vanaf de linkerkant (lichte kernen) naar rechts te schuiven (kernfusie), maar ook door van de rechterkant naar de grafiek (zware kernen) naar links te schuiven (kernsplijting). .

De bindingsenergie levert bij atoomkernen een meetbare bijdrage aan hun massa (volgens Albert Einstein zijn massa en energie immers equivalent: E = mc²). Als er energie vrijkomt zullen de eindproducten dus lichter dan de som van de massa's van de reagerende kernen. Zo zet de zon per seconde ongeveer 700 miljoen ton waterstof om in circa 695 miljoen ton helium. Het verschil in massa, ruim 4 miljoen ton, komt overeen met de vrijgekomen energie.

Geschiedenis

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 energie op [herschrijven - was vooral tijdsduur, niet absolute hoeveelheid energie]. De zon zet per seconde ongeveer 700 miljoen ton waterstof om in circa 695 miljoen ton helium. Het verschil in de massa, rond de 4,4 miljoen ton, komt overeen met de vrijgekomen energie. In lichte sterren (zoals de zon) verloopt de kernfusie van waterstof volgens de proton-protoncyclus, in zwaardere volgens de koolstof-stikstofcyclus. In oudere sterren volgt na het opbranden dan vaak het triple-alfaproces waarbij koolstof wordt gevormd, eventueel gevolgd door andere processen (zoals koolstofverbranding) tot de vorming van ijzer.

In 1920, Arthur Eddington suggested hydrogen-helium fusion could be the primary source of stellar energy. Quantum tunneling was discovered by Friedrich Hund in 1929, and shortly afterwards Robert Atkinson and Fritz Houtermans used the measured masses of light elements to show that large amounts of energy could be released by fusing small nuclei. Building on the early experiments in nuclear transmutation by Ernest Rutherford, laboratory fusion of hydrogen isotopes was accomplished by Mark Oliphant in 1932. In the remainder of that decade, the theory of the main cycle of nuclear fusion in stars was worked out by Hans Bethe. Research into fusion for military purposes began in the early 1940s as part of the Manhattan Project. Fusion was accomplished in 1951 with the Greenhouse Itemnuclear test. Nuclear fusion on a large scale in an explosion was first carried out on 1 November 1952, in the Ivy Mike hydrogen bomb test.

Zie ook

• Plasmafysica
• Kernenergie
• Nucleosynthese

Externe links

• The European Fusion Education Network (FuseNet)
• Fusiegroep van de Technische Universiteit Eindhoven
• Dutch Institute for Fundamental Energy Research
• Studiecentrum voor Kernenergie SCK.CEN, Mol, België
• ITER-NL, portal voor de Nederlandse industrie

Bronnen, noten en/of referenties

Mediabestanden

Zie de categorie Nuclear fusion van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.

Opzet artikel fusie-energie

Dit artikel gaat over het onderzoek naar kernfusie als energiebron. Voor het natuurkundige proces, zie kernfusie.

De Joint European Torus (JET), een Europese onderzoeksreactor voor kernfusie.

De term fusie-energie wordt gebruikt voor de toepassing van kernfusie als energiebron voor menselijk gebruik, met name voor het opwekken van elektriciteit. Bij kernfusie smelten twee lichte atoomkernen samen om een zwaardere kern te vormen, waarbij energie vrijkomt in de vorm van warmte. Het is daarmee in feite het tegenovergestelde van de in huidige kerncentrales gebruikte kernsplijting.

Er bestaan momenteel nog geen fusie-centrales die daadwerkelijk energie opleveren en grootschalige toepassing in het elektriciteitsnet wordt niet voor de tweede helft van de eenentwintigste eeuw verwacht.

Sinds de start van het onderzoek in de jaren vijftig van de twintigste eeuw zijn er in internationaal verband grote vorderingen gemaakt en kunnen in tientallen experimentele reactoren wereldwijd de omstandigheden voor kernfusie (temperaturen van miljoenen graden Celsius en voldoende lange opsluittijden) routinematig gecreëerd worden. In alle gevallen kost dit echter nu nog meer energie dan de fusiereacties op zouden leveren.

Het verder verfijnen van de controle over de hete brandstof (een zogenaamd plasma) blijft dan ook een actief onderzoeksgebied, een deelgebied van de plasmafysica. Daarnaast liggen er technologische uitdagingen op het gebied van materiaal en ontwerp van de reactorwand, en de grote hoeveelheid neutronen die geproduceerd wordt, wat onderhoud op afstand (door middel van robotica) noodzakelijk maakt en hoge eisen stelt aan de materialen voor de reactor als geheel.

Voor- en nadelen

Ondanks dat het in principe gaat om een niet-hernieuwbare energiebron heeft fusie-energie vele voordelen die duurzame energie ook heeft. Zo gaat het om energievoorziening op de lange termijn en worden er geen broeikasgassen uitgestoten. Verder heeft het een aantal voordelen die niet-duurzame energievormen ook hebben, zoals een ononderbroken energielevering (in tegenstelling tot windenergie of zonne-energie) en relatief beperkt gebruik van ruimte.

Fusie-energie zou veel meer energie per gegeven hoeveelheid brandstof leveren dan welke andere technologie die nu in gebruik is dan ook, en de brandstoffen, deuterium en lithium, zijn rijkelijk voorradig op aarde. Er is in potentie genoeg deuterium om de gehele wereld voor miljoenen jaren van energie te voorzien, van lithium is dit genoeg voor enige duizenden jaren. Lithium wordt momenteel echter ook veel gebruikt voor accu's, wat de voorraden beschikbaar voor kernfusie uiteraard beperkt.

Het enige afvalproduct helium is onschadelijk en wordt slechts in kleine hoeveelheden geproduceerd. Wel wordt de fusiereactor zelf radioactief door de neutronen die vrijkomen in de reactie. Nadat de reactor is afgeschreven zal het bouwmateriaal dus als radioactief afval moeten worden opgeslagen. Dit zal echter door natuurlijk verval steeds minder gevaarlijk worden en na enige honderden jaren (dus veel korter dan afval van splijtingscentrales) hergebruikt kunnen worden.

In alle industriële processen kunnen ongelukken gebeuren en kernfusie is hierop geen uitzondering. Het grootste gevaar voor milieu en bevolking betreft het radioactieve tritium, maar omdat dit in de reactor zelf geproduceerd en weer verstookt wordt is hiervan op ieder gegeven moment maar een zeer beperkte hoeveelheid (enige kilogrammen) aanwezig. Bovendien heeft tritium een relatief korte halfwaardetijd, zodat langdurige besmetting niet aan de orde is. Omdat het gebruikte proces onvergelijkbaar is met kernsplijting is er geen gevaar voor een meltdown of vergelijkbare ramp.

Basisprincipes

Om atoomkernen te laten samensmelten moeten ze elkaar dicht genoeg kunnen naderen. Omdat kernen positief geladen zijn stoten ze elkaar af, en is een grote kinetische energie nodig om ze bij elkaar te brengen. Dit betekent dat de fusiebrandstof tot zeer hoge temperaturen (miljoenen °C) verhit moet worden. Bij deze hoge temperaturen zijn de negatief geladen elektronen, die zich normaal als een wolk rond de kern bevinden, losgeslagen. Zo'n gas, bestaande uit positief geladen atoomkernen en negatieve vrije elektronen, wordt een plasma genoemd, in feite de vierde aggregatietoestand.

Pas wanneer de kernen dicht genoeg bij elkaar komen kan de aantrekkende sterke kernkracht de afstotende elektrische Coulombkracht overwinnen en vindt er fusie plaats. Waterstofisotopen hebben hiervoor in principe voldoende snelheid bij ca. 15 miljoen °C. Voor een acceptabele fusieopbrengst moet de temperatuur echter nog ongeveer tien keer zo hoog liggen, ca. 150 miljoen °C. Voor andere brandstoffen liggen die temperaturen nog hoger.

Om de brandstof onder aardse omstandigheden zo heet te krijgen dat het een plasma wordt, wordt er vaak een elektrische stroom door het gas gestuurd of wordt het bestraald met microgolfstraling. Ook sterke lasers kunnen hiervoor gebruikt worden.

Behalve de hoge temperatuur moeten de atoomkernen ook met voldoende dichtheid en lang genoeg bijeengehouden worden. Dit kan door middel van sterke magneetvelden (magnetische opsluiting) of door gebruik te maken van de inertie (of traagheid) van het plasma zelf (traagheidsopsluiting). Naar beide concepten wordt actief onderzoek gedaan.

Uiteindelijk moet de met fusie-reacties opgewekte warmte worden omgezet in bruikbare energie. Net als in fossiele brandstofcentrales of kernsplijtingscentrales zal dat gebeuren door water om te zetten in stoom. Hiermee kan een stoomturbine worden aangedreven die via een generator elektriciteit kan opwekken.

Deuterium-tritium reactie

Schematische weergave van kernfusie tussen deuterium en tritium.

De kernfusiereactie die technologisch het meest haalbaar is, is de deuterium-tritium reactie. Hierbij worden een deuteriumkern (waterstof met 1 neutron) en een tritiumkern (waterstof met 2 neutronen) omgezet in een helium-4-kern, een neutron en een grote hoeveelheid energie (17,6 MeV):

$$\mathrm {^{2}_{1}H\ +\ _{1}^{3}H\longrightarrow \ _{2}^{4}He\ +\ _{0}^{1}n\ +\ 17,6\ MeV} .$$

Deuterium kan relatief eenvoudig uit (zee)water gewonnen worden; ongeveer 1 op de 6.500 waterstofatomen is deuterium. Ondanks dat dit een laag percentage lijkt (ongeveer 0,15‰), is dit geen probleem, omdat kernfusiereactoren veel meer energie opleveren dan chemische verbranding en zeewater makkelijk te verkrijgen is en tevens in veel grotere hoeveelheden te vinden is dan welke fossiele brandstof dan ook. Tritium is echter radioactief met een halfwaardetijd van ongeveer 12,5 jaar, en komt daarom bijna niet voor in de natuur. Het wordt in kleine hoeveelheden geproduceerd als restproduct in kernsplijtingscentrales, maar voor grootschalige inzet van fusie-energie zou tritium in de fusiereactor zelf gekweekt moeten worden. Dit kan door de neutronen uit bovenstaande reactie te laten reageren met lithium:

$$\mathrm {^{6}_{3}Li\ +\ _{0}^{1}n\longrightarrow \ _{2}^{4}He\ +\ _{1}^{3}H} .$$

De primaire brandstoffen voor een reactor gebaseerd op dit proces zouden dan deuterium en lithium zijn, met tritium als tijdelijke tussenstap.

Bij de deuterium-tritium reactie gebruikt het radioactieve tritium en er komen neutronen bij vrij, die de reactor en zijn directe omgeving beschadigen en radioactief maken. Hierdoor zal onderhoud van de machine grotendeels op afstand moeten gebeuren en moeten reactoronderdelen als radioactief afval worden geclassificeerd. Er wordt daarom wel gespeculeerd over ander mogelijke reacties. Zo zijn er fusiereacties met alleen deuterium, helium-3 (dat van de maan gehaald zou moeten worden) lithium of boor, waarbij niet of nauwelijks neutronen worden geproduceerd. De benodigde temperatuur en opsluitingstijd voor deze reacties zijn echter nog veel extremer dan voor deuterium-tritium-fusie en toepassing hiervan ligt dan ook zeker nog verder in de toekomst.

Wetenschappelijk onderzoek

Het publiek gefinancierde onderzoek naar fusie-energie richt zich in grote lijnen op twee methodes voor het opsluiten van het plasma. Vooralsnog de meest gevorderde techniek is magnetische opsluiting, waarbij het plasma zwevend wordt opgesloten in een vat omringd door sterke elektromagneten. De tweede methode is traagheidsopsluiting, waarbij een klein bolletje brandstof wordt bestraald met lasers waardoor het implodeert. De massa-traagheid van de buitenste lagen brandstof houden de expansie van het plasma tegen en sluiten het zo op, vandaar de naam.

Daarnaast zijn er sinds het begin van de eenentwintigste eeuw een toenemend aantal start-up bedrijfjes bezig met het ontwikkelen van alternatieve concepten voor kernfusie. Deze volgen vaak een zeer alternatief pad dat aspecten van magnetische opsluiting combineert met inzichten uit vloeistofdynamica, traagheidopsluiting of andere gebieden.

In Nederland werken het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) en de Nuclear Research & consultancy Group (NRG) aan kernfusie. In België wordt fusie-onderzoek gedaan bij het Laboratorium voor Plasmafysica van de Koninklijke Militaire School te Brussel.

Magnetische opsluiting

Schematic-of-a-tokamak-chamber-and-magnetic-profile

Het grootste experiment dat gebruikmaakt van de methode met magnetische restrictie is de Joint European Torus (JET). In 1997 produceerde JET een piek van 16,1 megawatt (21.600 pk) aan fusie-energie, wat ongeveer 65% was van de hoeveelheid aan inputenergie, met een fusiekracht van meer dan 10 megawatt (13.000 pk), intact voor meer dan 0,5 seconde. Zijn opvolger, ITER, werd aangekondigd als onderdeel van een door zeven landen ondersteund consortium. ITER is ontworpen om een 10 keer zo grote hoeveelheid fusie-energie te produceren dan de energie die in het plasma gestopt wordt. ITER wordt nu gebouwd in Cadarache in Frankrijk.

In 1979 werd in Groot-Brittannië de bouw begonnen van de Joint European Torus (JET) en in 1983 werd deze in bedrijf genomen. 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 om het plasma te verhitten. Hoewel er dus een negatieve netto energieproductie was, is JET wel nog steeds wereldrecordhouder opwekking fusie-energie.

Sinds 2006 werkt de fusie-gemeenschap aan een groot internationaal fusie-experiment, ITER. ITER staat voor International Thermonuclear Experimental Reactor, en is een project tussen de Europese Unie, Rusland, de VS, Japan, China, India en Zuid-Korea. ITER, die naar verwachting rond 2035 in bedrijf komt, moet aantonen dat fusie op aarde toe te passen is als energiebron. ITER zal 500 megawatt produceren, tien maal meer dan nodig is om de reactie op gang te houden. De reactor wordt in Cadarache in Zuid-Frankrijk gebouwd.

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, de stellarator en de polywell.

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.

De techniek met plasmabeheersing door lasertechnologie werd lange tijd als meer ingewikkeld of zelfs als onmogelijk gezien, waardoor deze minder ontwikkeling heeft gekend dan de benadering met magnetisme. Echter heeft deze benadering nu een comeback gemaakt door verdere innovatie op dit gebied, en wordt nu ontwikkeld in de Verenigde Staten in de National Ignition Facility en gepland in Europa in de High Power laser Energy Research facility (HiPER). De NIF was voor het eerst operatief in 2010 en zit nu in een proces om de hoeveelheid geproduceerde energie per tijdseenheid omhoog te schroeven. Tests met de fusie-energie moeten nog volgen.

Van door fusie-energie gegenereerde elektriciteit werd in het begin geloofd dat het redelijk haalbaar was, net als het geval was met kernenergie. Echter kent de energievorm extreme energiebehoeftes om de reacties en de plasmabeheersing op gang te houden, waardoor inschattingen werden verlengd met enkele decennia. In 2012, meer dan 60 jaar na de eerste pogingen, wordt gedacht dat daadwerkelijk gebruik van fusie-energie onwaarschijnlijk is voor 2050.

Alternatieven

Alternatieven bij start-up bedrijfjes o.i.d. Voorbeelden hiervan zijn GeneralFusion en Helion Energy. Magnetische opsluiting zou ook kunnen worden bereikt door het aanmaken van plasmoïden. Dit zijn torusvormige "wolken" 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). De toepassing van deze machine om elektriciteit op te wekken met behulp van een aneutronische fusiereactie tussen protonen en boor-11-ionen wordt ook wel Focus fusion genoemd. Of deze methode in de praktijk zal werken als energiebron moet nog worden aangetoond. Hier wordt onderzoek naar gedaan in de Verenigde Staten.

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. Wetenschappers Pons en Fleischmann claimden eind jaren tachtig dat zij fusiereacties hadden waargenomen bij elektrochemische reacties. In 2002 claimde dr. Taleyarkhan kernreacties bij sonoluminescentieproeven in gedeutereerd aceton, waarbij minieme luchtbelletjes in een vloeistof krachtig ineenklappen. Beide methoden zijn onbewezen.

Recent (2019?) is NASA een onderzoekslijn naar Latice Confinement Fusion (LCF) gestart - met een plausibel fysisch mechanisme en daadwerkelijk gedetecteerde fusie-neutronen. Zie hier: https://spectrum.ieee.org/lattice-confinement-fusion.

Financiering

Ondanks dat fusie-energie nog steeds in een vroeg stadium is qua ontwikkeling, zijn grote hoeveelheden geld in het onderzoek ernaar gestoken. Zo heeft de Europese Unie in de twintigste eeuw in totaal bijna €10 miljard aan onderzoek uitgegeven. De kosten voor de nieuwe reactor van ITER worden alleen al op €10 miljard geraamd. Verder wordt geraamd dat de totale investeringskosten tot aan het punt dat fusie-energie daadwerkelijk gebruikt kan worden voor de dagelijkse stroom, nog eens €60 tot €80 miljard aan O&O kunnen bedragen. Dit zou over een periode van nu tot over 50 jaar het geval zijn en van de totale kosten zou €20 tot €30 miljard vanuit de EU gefinancierd moeten worden. Onderzoek naar kernfusie ontvangt €750 miljoen (exclusief de subsidie voor ITER), wat veel geld is vergeleken met de €810 miljoen die wordt uitgegeven aan onderzoek naar alle andere energievormen bij elkaar. Hiermee wordt onderzoek naar fusie-energie ver voor dat naar enig andere theorie geplaatst.

Externe links (tevens bronnen)

• www.fusie-energie.nl, informatie over fusie-energie en onderzoek ernaar.
• www.tue.nl (Technische Universiteit Eindhoven), informatie over fusie-energie.
• (en) www.fusionforenergy.europa.eu, informatie over fusie-energie.
• (en) www.fusionforenergy.europa.eu, informatie over ITER.
• (en) www.efda.org, informatie over verschillende projecten omtrent fusie-energie
• (en) www.em-master-fusion.org , European Master of Science in Nuclear Fusion and Engineering Physics

Bronnen, noten en/of referenties

Opzet artikel tokamak

Naar navigatie springenNaar zoeken springenHet binnenste van de "Tokamak à configuration variable", TU Lausanne. Afmetingen: Hoogte 1,40 m, grootste diameter 0,875 m.

Een tokamak is een torusvormig apparaat waarin een plasma kan worden beheerst met behulp van sterke magnetischevelden. Tokamaks worden gebruikt om kernfusie te bestuderen, met als uiteindelijke doel een economisch rendabele energiebron (kernfusie is realiseerbaar, economisch rendabel is het nog niet). De naam токамак is een samentrekking van de Russische woorden тороидальная камера в магнитных катушках (toroidalnaja kamera v magnitnych katoesjkach), vertaald in het Nederlands: torusvormige kamer met magneetspoelen. Het apparaat is in 1950 ontworpen door Igor Tamm en Andrej Sacharov. De tokamak is op het moment^{[(sinds) wanneer?]} de meest gevorderde technologie op weg naar het bereiken van rendabele kernfusie.

Inhoud

• 1Kernfusie
• 2Plasma-opsluiting
• 3Voordelen en nadelen
• 4Tokamakopstellingen in de wereld
• 5Zie ook
• 6Externe links

Kernfusie[bewerken | brontekst bewerken]

Het verschil tussen kernreacties en chemische reacties is dat bij chemische reacties elektronen betrokken zijn, terwijl bij kernreacties de protonen en neutronen van de atoomkern betrokken zijn. Evenals bij chemische reacties kan bij nucleaire reacties energie opgenomen of afgegeven worden. Om bij fusiereacties energie te doen vrijkomen moeten er kleinere, minder stabiele kernen bijeengebracht worden om een stabielere kern te verkrijgen. De energie ontstaat door het verschil in bindingsenergie van de kern na de fusie en de kernen voor de fusie. Er worden geen deeltjes gecreëerd of vernietigd. De bindingsenergie van de deeltjes voor de fusie is groter dan deze van het deeltje na de fusie. Het is dit verschil dat vrijkomt tijdens fusie en wel via de fameuze formule van Einstein:  waarin m het massaverschil is tussen de deeltjes voor en na de reactie en c de lichtsnelheid. Hierbij wordt dus inwendige energie, meetbaar als massa, omgezet in uitwendige energie.

Plasma-opsluiting[bewerken | brontekst bewerken]

Een probleem bij kernfusie is de extreem hoge temperatuur (circa 10 miljoen K) die ervoor nodig is. De brandstof bevindt zich bij die temperatuur in de plasmatoestand. Geen enkel materiaal is tegen een dergelijke temperatuur bestand en een eenvoudig reactievat is dan ook ongeschikt. Bij een natuurlijke fusiereactor - een ster - wordt het hete plasma bijeengehouden door de zwaartekracht, maar een ster moet daarvoor zeer groot zijn. Bij een kunstmatige fusiereactor wordt het hete plasma door een sterk magnetisch veld op z'n plaats gehouden. Door het magnetisch veld komt het plasma niet in contact met de wand van de reactor, wat twee problemen oplost:

• Het plasma wordt niet afgekoeld door de veel koudere wand.
• De wand wordt niet beschadigd door het hete plasma.

Een belangrijk gedeelte van het magnetische veld komt tot stand door een elektrische stroom in het plasma (de plasmastroom), die wordt opgewekt door het plasma te gebruiken als de secundaire spoel van een transformator. Omdat een transformator inherent een wisselstroom-apparaat is (waarbij de stroom periodiek 0 moet worden), kan de plasmastroom op deze manier maar een beperkte tijd in stand worden gehouden. Om te voorkomen dat een kernfusiecentrale die een tokamak gebruikt alleen in korte pulsen kan werken, wordt veel onderzoek gedaan naar andere manieren om de stroom lopende te houden. Een succesvolle methode is om de stroom, na opstarten met de transformator, in stand te houden door microgolven in te stralen.

Een ander deel van het magneetveld wordt bij sommige tokamaks opgewekt door supergeleidende elektromagneten, die alleen werken bij een zeer lage temperatuur. In een dergelijke tokamak komen dus de koudste en de heetste plekken op aarde vlak naast elkaar voor.

Voordelen en nadelen[bewerken | brontekst bewerken]

Voordelen van zulke energiecentrales zijn dat er weinig radioactief afval ontstaat en dat er steeds maar een kleine hoeveelheid nucleair reagens in de reactor aanwezig is. Een nadeel is dat zelfs de kleinste installatie waarin een rendabele exploitatie mogelijk zou zijn vrij groot is. Kernfusie is in huidige experimenten wel gerealiseerd, maar in het beste geval kost het net iets meer energie om de reactie op gang te houden dan dat de reactie oplevert. Het vergroten van de machine kan dit probleem oplossen. Of kernfusie ooit economisch rendabel wordt hangt, behalve van technische factoren, ook af van zaken als de prijs van andere energiebronnen.

Tokamakopstellingen in de wereld[bewerken | brontekst bewerken]

Wereldwijd beschikken meerdere onderzoeksinstellingen over een tokamak. In 1996 is in de Tokamak-60 van het Japanse Naka Fusion Research Establishment in Naka een temperatuur van 520 miljoen kelvin bereikt. Dat is de hoogste temperatuur die ooit door mensen is gegenereerd.

In Princeton, VS staat ook een bekende proefopstelling, de TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) en in Culham, UK staat JET, (Joint European Torus), het Europese vlaggenschip van dit type onderzoek en de grootste tokamak ter wereld. In de zomer van 2005 is het besluit genomen om het grote internationale project ITER te bouwen in Zuid Frankrijk (Cadarache). ITER zou rond eind 2025 de mogelijkheid van energetisch rendabele kernfusie moeten demonstreren, door 10 keer meer energie te produceren dan het energetisch quitte-speelpunt (Q=10). Daarna staat de bouw van de nog grotere DEMO-tokamak gepland die elektriciteit zou moeten gaan leveren met Q=30-50.

Tot 1998 was op het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein (Nederland) de tokamak RTP actief. Nederland noch België beschikken sinds de sluiting van RTP over een tokamakexperiment. Wel hebben beide landen daarna nog samen met de Duitse regio Noordrijn-Westfalen onderzoek gedaan op de Duitse tokamak TEXTOR in Jülich, binnen het Trilateral Euregio Cluster (TEC). In december 2013 is ook deze buiten gebruik gesteld. Zowel Nederland als België werkt nog aan onderzoek en de bouw van onderdelen voor het ITER-project.

Zie ook[bewerken | brontekst bewerken]

• Kernfusie
• Fusie-energie
• Stellarator

Externe links[bewerken | brontekst bewerken]

• Fusie-energie
• JET site
• ITER site
• HyperPhysics kernfusiebasics

Categorieën:

• Kernfusie
• Transformator