Kernfusie

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Kernfusie is het samensmelten van de kernen van verschillende atomen, waarbij een andere, zwaardere kern wordt gevormd. Wanneer atomen van lichte elementen zoals waterstof samensmelten, wordt hierbij iets van de massa omgezet in energie, in het geval van waterstof ongeveer 0,67%. Het fuseren van zwaardere atomen 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 ongeveer 700 miljoen ton waterstof om in circa 695 miljoen ton helium. Het verschil in de massa, rond de 4,4 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.

In lichte sterren verloopt de kernfusie van waterstof volgens de proton-protoncyclus, in zwaardere volgens de koolstof-stikstofcyclus. In oudere sterren volgt dan vaak het triple-alfaproces met de vorming van koolstof, eventueel gevolgd door andere processen tot de vorming van ijzer.

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[bewerken]

Schematische weergave van kernfusie

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 helium-4-kern, een neutron en een grote hoeveelheid energie (17,6 MeV):

\mathrm{^{2}_{1}H\ +\ ^{3}_{1}H \longrightarrow\ ^{4}_{2}He\ +\ ^1_0n\ +\ 17,6\ MeV}

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 ook wel de vierde aggregatietoestand genoemd wordt. Pas wanneer de kernen dicht genoeg bij elkaar komen krijgt de aantrekkende sterke kernkracht er vat op, kan de afstotende kracht tussen positieve kernladingen tenietgedaan worden en vindt er fusie plaats. Waterstofisotopen hebben hiervoor in principe voldoende snelheid bij ca. 15 miljoen K. Voor een acceptabele fusieopbrengst moet de temperatuur echter nog ongeveer tien keer zo hoog liggen, ca. 150 miljoen K.

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[bewerken]

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[bewerken]

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[bewerken]

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. 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 Europa, Rusland, de VS, Japan, China, India en Zuid-Korea. ITER, die naar verwachting rond 2018 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.

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.

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.[1]

In Nederland werken het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) en de Nuclear Research & consultancy Group (NRG)[2] aan kernfusie. In België wordt fusie-onderzoek gedaan bij het Laboratorium voor Plasmafysica van de Koninklijke Militaire School te Brussel.

Zie ook[bewerken]

Externe links[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties