Je leest:

Kernfusie met kristal

Kernfusie met kristal

Auteur: | 28 april 2005

Natuurkundigen van de Universiteit van Californië wekken kernfusie op met een kristallen naald. Hun vinding is géén basis voor een superschone energiebron, maar wel voor medische toepassingen.

Brian Naranjo, Jim Gimzewski en Seth Putterman van de Universiteit van Californië in Los Angeles (UCLA) hebben het voor elkaar: kernfusie in een apparaatje dat op een labtafel past. De drie natuurkundigen haasten zich in de introductie van hun Nature-artikel te zeggen dat ze geen energiebron in handen hebben; er moet meer energie in dan eruit komt. Ze denken dat de reactor wel toepassingen heeft zoals kankerbestraling of als middel om het menselijk lichaam door te lichten. Ook de ruimtevaart kan ervan profiteren.

De drie ontwerpers van de pyro-elektrische fusiereactor. Van links naar rechts: Seth Putterman, Brian Naranjo, Jim Gimzewski.

De mini-reactor van Naranjo’s team is een ingenieuze deeltjesversneller, met als hart een naald van pyro-elektrisch kristal. Zulke kristallen produceren hoogspanning als er een temperatuurverschil is tussen de uiteinden. De onderzoekers plaatsten de naald in een kamer gevuld met deuteriumgas, een zwaardere variant van waterstof. Door de naald eerst te koelen tot –33 oC en daarna aan één kant te verwarmen tot +7oC produceerden ze een elektrisch veld van honderdduizend Volt.

Het sterke elektrische veld stript de elektronen van de deuteriumkernen af. Eenmaal ‘bloot’ worden de deuteriumkernen door het veld versneld. Ze botsen een paar centimeter verderop tegen een trefplaat waarin ander deuterium is verwerkt. Door de kracht van de botsing fuseren de deuteriumkernen met elkaar. Ze versmelten tot zwaardere atoomkernen, waarbij ze elektronen en neutronen uitzenden. Bij kernfusie raakt massa verloren – de twee deuteriumkernen wegen meer dan de reactieproducten – maar komt energie vrij volgens Einstein’s bekende formule.

De nieuwe fusiereactor kan niet continu produceren: de kristallen naald wekt alleen een elektrisch veld op als de uiteinden een verschillende temperatuur hebben. Na een tijdje verwarmen hebben beide uiteinden dezelfde temperatuur en moeten de onderzoekers de naald eerst afkoelen voor het volgende ‘schot’.

Schema van de miniatuurreactor. De kristallen naald is van pyro-elektrisch materiaal. Dat produceert hoogspanning als de ene kant warmer wordt dan de andere. In deze reactor ioniseert het elektrische veld deuteriumatomen en schiet ze met hoge snelheid op een trefplaat af. Daar fuseren de ionen met andere deuteriumkernen, waarbij energie vrijkomt en bundels neutronen en elektronen ontstaan. bron: NatureKlik op de afbeelding voor een grotere versie.

Radioactiviteit met een schakelaar

Juist de bijproducten van kernfusie – snelle neutronen en elektronen – zijn mateloos interessant voor toepassingen. In een kernfusiereactor zoals de Britse JET (Joint European Torus) en de geplande superreactor ITER zijn het de racende neutronen die de kernfusie-energie naar warmtewisselaars transporteren. Daar wordt vervolgens elektriciteit opgewekt. Naranjo’s mini-reactor is geschikt voor heel andere doeleinden.

Met de pyro-elektrische reactor heeft het Amerikaanse team een bron van radioactieve straling in handen, zónder een lastige radioactieve bron. De stralingsbundel van neutronen en elektronen is ook nog eens aan en uit te zetten met een druk op de knop. In medische toepassingen is zo’n schakelbare bron een geschenk uit de hemel. Niet alleen tumorbestraling, ook apparatuur om diep in het menselijk lichaam te kijken is gebaat bij een beheersbare neutronenbron.

Neutronen uit kernfusie zijn een gewild werktuig. Op vliegvelden worden ze al gebruikt om op afstand chemische stoffen te onderscheiden. Verschillende materialen absorberen de neutronen in de bundel op een iets verschillende manier; daaruit is af te leiden of de inhoud een tube scheerschuim is, of toch springstof. Door met neutronenbundels naar de bodem van een olieput te schijnen, kunnen onderzoekers de kwaliteit van de olie bepalen. Op dit moment is voor zo’n neutronenbundel een grote reactor met zware elektrische voeding nodig. De vinding van Naranjo, Gimzewski en Putterman maakt miniatuurversies van die logge apparaten mogelijk.

Tenslotte is de puro-elektrische versneller bruikbaar als de aandrijving van een ruimtesonde. Net als ESA’s Smart-1 die nu rond de maan cirkelt, zou zo’n sonde ionen uitstoten en zichzelf met de terugslag voortduwen. Ionenaandrijving vormt geen krachtige raketmotor, maar wel een zuinige. De energie om het pyro-elektrische kristal te verwarmen komt uit zonnepanelen; op deuteriumgas na is er geen brandstof nodig.

Dit stuk trefplaat bevat deuteriumkernen en gloeit blauw op als de inkomende bundel deuteriumionen fusie opwekt. bron: Seth Putterman, UCLA

Lauwe fusie

“Ze hebben hier een schattige kleine neutronenbron”, zegt Michael Saltmarsh, gepensioneerd natuurkundige van Oak Ridge National Laboratory tegen Nature. Denigrerend is die uitspraak niet bedoeld. Saltmarsh maakt zo duidelijk dat Naranjo, Gimzewski en Putterman een échte fusiereactor hebben die werkt volgens goed begrepen natuurkunde. Claims van fusie bij kamertemperatuur zijn namelijk al eerder gemaakt, en bleken achteraf uit gebakken lucht te bestaan.

In 1989 publiceerden Martin Fleischman en Stanley Pons over door hen waargenomen “koude fusie” in metaalsponzen. In die metaalspons zou het waterstof zó dicht op elkaar worden gepakt, dat vanzelf kernfusie optrad. De energiebron van de zon bij kertemperatuur leek binnen handbereik, tot onderzoekers van onder andere MIT aantoonden dat de neutronenproductie in de opstelling van Fleischman en Pons niet boven de achtergrondruis uitkwam. Geen neutronen, geen kernfusie; daaraan is niet te ontkomen. “Koude fusie” is sinds die tijd synoniem met “overspannen claim”.

Voor energie uit kernfusie moet de wereld wachten toch echt wachten op ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), de eerste fusiereactor die naar verwachting meer energie oplevert dan hij gebruikt. Partners in het internationale ITER-project zijn de EU en Japan, die allebei de reactor en bijbehorende subsidies willen binnenhalen. De andere partners, Rusland, China, de V.S. en Zuid-Korea, zijn verdeeld over de bouwplaats. De EU wil nog dit jaar definitief de knoop doorhakken en met de bouw van de twintig meter hoge reactor beginnen.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 april 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.