Kernfusie

Kernfusie is in de natuurkunde het samensmelten van atoomkernen, waarbij uit twee atoomkernen een zwaardere atoomkern met een hoger atoomnummer wordt gevormd. Als lichte atomen zoals deuterium, een isotoop van waterstof, samensmelten, ontstaat helium. Bij die samensmelting van twee atoomkernen ontstaat dus een ander element. Bij die samensmelting komt energie vrij. Dit komt doordat een deel van de interne bindingsenergie vrijkomt.

De energie die de zon in de vorm van licht en andere straling uitzendt, wordt geleverd door kernfusie in de zon. Kernfusie zou op lange termijn ook een energiebron kunnen zijn op aarde. Het grote voordeel van kernfusie is dat er geen radioactief afval bij ontstaat, en ook dat de grondstof (waterstof) praktisch onbeperkt aanwezig is. Om kernfusie op gang te brengen en te houden is echter een zeer hoge temperatuur nodig, die moeilijk op aarde te realiseren is, doordat er geen materialen tegen zulke hoge temperaturen bestand zijn.

Kernfusie levert alleen energie op als de fuserende kernen licht genoeg zijn. Voor het fuseren van atomen naar een element dat zwaarder is dan ⁵⁶Fe (ijzer) is juist energie nodig. IJzer en nog zwaardere elementen, zoals die op aarde voorkomen, ontstaan dan ook in sterren die aan het eind van hun leven zijn doordat er geen atoomkernen meer over zijn om te fuseren. De elementen zoals ijzer worden vervolgens uitgestoten naar de ruimte in een supernovaexplosie.

E=mc² bewerken

De beroemde formule van Einstein, E = mc² , geeft een verklaring voor kernfusie. Massa en energie worden bij kernfusie in elkaar omgezet. Bij de fusie van twee atoomkernen tot een zwaardere kern, wordt massa omgezet in energie. De nieuwgevormde atoomkernen zijn dan ook samen lichter dan de som van de massa's van de oorspronkelijke kernen.

De bij kernfusie vrijkomende energie wordt het massadeficit genoemd. Het is het verschil in de respectievelijke bindingsenergie van de fuserende kernen.^[1] Dit is de energie die vrijkomt als je elementaire deeltjes zoals protonen en neutronen, samenvoegt. Hoe minder energie dit eindproduct bevat - dus hoe meer bindingsenergie vrijkomt tijdens de fusie, hoe stabieler het eindproduct zal zijn.

Achtergrond bewerken

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. De zon zet per seconde ongeveer 700 miljoen ton waterstof via kernfusie om in circa 695 miljoen ton helium. Het massaverlies, rond de 4,4 miljoen ton, komt overeen met de vrijgekomen bindingsenergie. In lichte sterren (zoals de zon) verloopt de kernfusie van waterstofatomen volgens de proton-protoncyclus, in zwaardere sterren volgens de koolstof-stikstofcyclus. In oudere sterren volgt na het opbranden van de beschikbare waterstof vaak het triple-alfaproces, waarbij uiteindelijk koolstof wordt gevormd.

Doordat atoomkernen positief geladen zijn, stoten ze elkaar elektrostatisch af - pas als de kernen elkaar heel dicht naderen wordt de (aantrekkende) sterke kernkracht belangrijk genoeg om tot kernfusie te leiden. Alleen bij extreem hoge temperatuur en druk, zoals die heersen in het middelpunt van sterren, hebben de deeltjes voldoende energie om de afstotende elektrostatische kracht te overwinnen.

Op aarde zijn zulke omstandigheden niet eenvoudig te realiseren en technologische toepassing van het kernfusieprincipe is dan ook niet wijdverbreid. Kernfusie heeft echter wel een enorm potentieel als energiebron, omdat er grote hoeveelheden lichte kernen op aarde aanwezig zijn (met name waterstof en isotopen daarvan), waardoor de brandstof vrijwel eindeloos voorradig is. Daarnaast komen er bij kernfusie geen broeikasgassen vrij en ook 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 dat daadwerkelijk energie produceert. Zie het artikel fusie-energie voor meer informatie over dit onderwerp.

Een toepassing van kernfusie op aarde is in kernwapens. Van deze wapens leveren wapens gebaseerd op kernfusie de meeste energie op, 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.

Kernreactie bewerken

Schematische weergave van kernfusie

Bij de kernfusie die in fusiereactoren en kernwapens toegepast wordt, worden een deuteriumkern (waterstof met één neutron) en een tritiumkern (waterstof met twee neutronen) omgezet in een helium-4-kern, een los neutron en een grote hoeveelheid energie (17,6 MeV):

{\ce {^{2}_{1}H\ +\ _{1}^{3}H\ ->\ _{2}^{4}He\ +\ _{0}^{1}n\ +\ 17{,}6\ MeV}}

Tritium komt in tegenstelling tot deuterium bijna niet voor in de natuur. Het kan in een lithiummantel om de fusiereactor gekweekt worden met neutronen:

{\ce {^6_3Li\ +\ ^1_0n\ ->\ ^4_2He\ +\ ^3_1H}}

Om kernen te laten samensmelten is een grote hoeveelheid 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, ook wel de 'vierde aggregatietoestand' genoemd. Pas wanneer de kernen dicht genoeg bij elkaar komen krijgt de aantrekkende sterke kernkracht er vat op, kan de afstotende kracht tussen positieve kernladingen overwonnen 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, circa 150 miljoen K.

Om de atomen onder aardse omstandigheden zo heet te krijgen dat ze een plasma worden, wordt er 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 naar kernfusie 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 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 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 en is er mee aangetoond dat gecontroleerde kernfusie mogelijk is.^[2] JET sluit eind 2023.

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, tienmaal meer dan nodig om de reactie op gang te houden. De reactor wordt in Cadarache in Zuid-Frankrijk gebouwd.

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 machines 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.^[3]

De grootste problemen voor kernfusie zijn in 2023 het ontwikkelen van materialen die bestand zijn tegen de straling die vrijkomt bij kernfusie en een grootschalige methode om tritium te maken. ^[2]