Je leest:

Sterrenenergie

Sterrenenergie

Waarom kernfusie zo moeilijk is

Auteur: | 2 april 2010

Kernfusie is de heilige graal van de energiewetenschappen. Door fusie van lichte kernen als waterstof en helium moet een vrijwel oneindige en bijna gratis energiebron aan te boren zijn – de zon en alle andere sterren doen het immers ook zo. Toch lukt het maar niet om fusie te bedwingen.

Het was een doorn in het oog van Charles Darwin: die verrekte zon. Zijn evolutietheorie vertelde hem dat er al miljarden jaren leven op aarde bestaat, maar die grote bol gesmolten rots kon onmogelijk meer dan honderd miljoen jaar oud zijn. Hij beschouwde het als een grote zwakte van zijn theorie, maar voorzag ook de oorzaak al: de mens wist in zijn tijd gewoonweg nog zo weinig van het heelal! Het zou tot de jaren dertig van de twintigste eeuw duren voordat natuurkundigen, met Albert Einstein en Hans Bethe in hun voorhoede, ontdekten hoe het écht zit met de zon. Geen grote bol gesmolten rots verlicht onze horizon, maar een klomp dicht samengeperst gas.

De doorbraak kwam in 1938 toen Hans Bethe uitrekende hoe hoog de druk in het binnenste van de zon moet zijn. Die druk is gigantisch, zo groot dat de kerndeeltjes van het waterstof- en heliumgas ondanks hun afstotende ladingen dicht op elkaar geperst moeten zitten. Bethe realiseerde zich dat die enorme hitte en dichtheid wel tot fusie van de kernen moest leiden. Twee waterstofkernen (je kunt bij die dichtheid eigenlijk niet meer van atomen spreken) kunnen samensmelten tot een heliumkern. De producten van die fusie zijn ietsje lichter dan de ingrediënten, dus volgens E=mc2 komt daar energie bij vrij – de bron van het zonlicht.

Een deuteriumkern (2H) en een tritiumkern (3H) botsen op elkaar. Ze versmelten, zodat er een heliumkern (4He), een neutron (n) en een beetje energie (aangegeven in MeV) vrijkomen.

De magnetische fles

Natuurkundigen zagen meteen in dat kernfusie een ideale energiebron zou zijn, maar de omstandigheden in het binnenste van de zon zijn zo extreem dat onmogelijk werd geacht om die op aarde na te bootsen. Niet dat het opwekken van een fusiereactie tussen twee waterstofkernen zo moeilijk zou zijn, maar zie het maar eens te controleren! Begin jaren ’50 kwamen de eerste ontwerpen voor reactoren waarin kernfusie plaats kan vinden. Die eerste ontwerpen gingen al uit van het maken van een plasma van geladen deeltjes. Een stof, in dit geval zwaar waterstof of deuterium, wordt daarvoor zo ver verhit dat de elektronen loslaten van hun kernen. De soep van geladen deeltjes die zo overblijft kan, dankzij hun lading, gecontroleerd worden met een magnetisch veld. Zo kan een plasma dat miljoenen graden heet wordt in een magneetveld zweven. In het ideale geval raakt het de wanden van de reactor niet eens.

Een kijkje in een Tokamak-centrale.

Maar plasma’s laten zich niet zo makkelijk voor een karretje spannen. Als je het met een magneetveld onder zo’n hoge druk probeert te brengen dat fusie plaats gaat vinden, probeert het plasma door alle mogelijke zwakke plekken in dat veld te ontsnappen. Het wordt zelfs moeilijker een plasma te bedwingen naarmate het heter wordt. Daarom is er in een kernfusiecentrale een magnetisch veld nodig waar geen ‘gaten’ inzitten waardoor het plasma weg kan lekken. Dat kan met een donutvorming magneetveld, dat dan ook wordt gebruikt in de meeste vroege ontwerpen voor een kernfusiecentrale. Zo’n donutvormige centrale heet een Tokamak, een Russische naam bedacht door Igor Tamm en Andrej Sacharov. Maar zelfs in de ideale condities voor kernfusie is het plasma een wild monster, vrijwel onmogelijk om te beteugelen. Zo viel het simpele en elegante idee voor een kernfusiecentrale lange tijd in het water…

Fusie in het brandpunt

Een tweede idee om kernfusie te beheersen kwam tijdens de energiecrisis van de jaren ’70. Het onderzoek werd gedaan bij het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), waar ook kernwapens ontwikkeld werden voor het Amerikaanse leger. Hun idee was om de condities voor fusie op een heel klein plekje te creëren: in het brandpunt van een batterij supersterke laserstralen. Dat lukte deels: weliswaar braken de onderzoekers van LLNL keer op keer de records voor de sterkste laserpulsen en brachten ze ook fusie teweeg in het brandpunt van hun stralen, maar de hoeveelheid energie die erin moet om die fusie op te wekken bleef vele malen groter dan de energie die door de kernfusie werd opgewekt. Wetenschappers rekenden uit dat de laserstralen zeventig keer zo sterk zouden moeten worden om energiewinst uit hun vorm van fusie te halen. Een onneembare horde?

Zien is geloven

Wereldleiders zagen in eerste instantie meer heil in de Tokamak dan in laserfusie. In 1985 sloten de Sovjetleider Gorbatsjov en de Amerikaanse president Reagan de handen ineen om te beginnen aan een megaproject: de bouw van de eerste Tokamak-centrale die evenveel energie oplevert als erin gaat. De bouwplannen waren klaar in 2001 en in 2005 besloten de deelnemende landen na veel gekibbel dat de centrale gebouwd zou worden in het Franse Cadarache. De totale bouwkosten van de monstermachine bedragen 5 miljard euro, en naar schatting duurt het 10 jaar voordat de centrale klaar is.

De onderzoekers van LLNL hebben ook niet stil gezeten, en begin dit jaar werd hun nieuwe superlaser in de National Ignition Facility (NIF) met veel bombarie ingewijd. Deze laser, die eigenlijk uit een batterij van 192 lasers bestaat, is de krachtigste ter wereld. Naar verwachting wordt er uiterlijk in 2012 kernfusie bereikt bij NIF. Ook daar is het streven om het ‘break-even point’ te bereiken: er moet evenveel energie uitkomen als erin gaat. De Amerikanen beweerden bij de ingebruikname van de nieuwe laser dat het een kwestie van een paar jaar is voordat er een schier oneindige hoeveelheid ‘sterrenenergie’ hun faciliteit uit zal vloeien. Daarbij gaan ze wel voorbij aan een aantal fikse problemen die vooralsnog kernfusie in de weg staan.

Radioactiviteit en uitputting

Eén van de belangrijkste problemen die bij het maken van ‘schone’ kernfusie komt kijken zit in de manier waarop energie bij de fusiereactie vrijkomt. Het merendeel van die energie zit in neutronen met hele hoge snelheden en energieën. Die neutronen moeten opgevangen worden om de energie te kunnen winnen, en dat is niet eenvoudig. Neutronen hebben geen elektrische lading en kunnen dus niet met magneetvelden worden beheerst. Bovendien vliegen ze doodleuk door de meeste materie heen. De enige manier om neutronen te stoppen is door een voldoende dikke wand om de reactor heen te bouwen, bijvoorbeeld van staal. Dan wordt de kans dat de neutronen op hun weg naar buiten ergens tegenaan botsen groot genoeg. De warmte die bij die botsingen vrijkomt kan worden gebruikt om water te verwarmen, waarmee dan weer turbines kunnen worden aangedreven die stroom opwekken.

Maar als een neutron met een hele grote energie tegen een atoomkern aanbotst komt er niet ‘netjes’ alleen maar warmte vrij. Het neutron kan de metaalkern bijvoorbeeld uit zijn rooster knikkeren, waardoor het supersterke staal langzaamaan verzwakt. Of het neutron kan aan de kern blijven plakken en de kern radioactief maken, waardoor er gevaarlijke straling vrijkomt. Die problemen zijn groot, en oplossingen zijn nog niet in zicht. Wereldwijd werken fusie-onderzoekers, bijvoorbeeld bij het Nederlandse instituut voor plasmafysica in Rijnhuizen, aan materialen die het neutronenbombardement goed kunnen verdragen. Kanshebbers zijn bijvoorbeeld keramische materialen of speciaal versterkt staal.

Bij het FOM-instituut voor plasmafysica Rijnhuizen wordt onderzoek gedaan naar de invloed van gloeiend heet plasma op wandmaterialen. Het plasma-wandexperiment Pilot-PSI schiet een bundel plasma (heet, geladen gas) op een trefplaat en onderzoekt hoe het materiaal reageert op de beschieting. Hier wordt een waterstofplasma gebruikt.
FOM-Rijnhuizen

Een ander groot probleem is toch het materiaal waarvan een fusieplasma gemaakt wordt. Dat materiaal is waterstof, dus het ligt niet voor de hand dat dat moeilijk te krijgen zou zijn. Maar voor fusie is het essentieel dat niet ‘gewoon’ waterstof, maar de zwaardere isotopen deuterium en tritium worden gebruikt. Deuterium is eenvoudig en goedkoop te maken, maar het radioactieve tritium kan vooralsnog alleen in gewone kerncentrales geproduceerd worden. Dat gaat met twee tot drie kilo per centrale per jaar, terwijl een fusiecentrale er maandelijks een kilo doorheen jaagt.

Tritiumrecycling

Een kernfusiecentrale die langdurig en betrouwbaar energie kan maken, of het nou een Tokamak of een laserfusiecentrale is, heeft dus een heel bijzondere omgeving nodig. Die omgeving moet bestand zijn tegen een regen van hete neutronen, en bovendien het plasma van tritium blijven voorzien. In theorie kunnen die twee voorwaarden heel goed samengaan.

Als je in de wand van de reactor namelijk lithium verwerkt, een licht en reactief metaal, kunnen de hete neutronen in dat lithium weer tritium maken. Wanneer een neutron een lithiumkern raakt kan die kern vervallen naar een helium- en een tritiumkern. Helaas is dat nog geen ‘gratis’ tritiumopbrengst: voor iedere nieuwe tritiumkern is één neutron nodig, en uit iedere fusiereactie, waarin een tritiumkern wordt gebruikt, komt precies één neutron. Om dit proces te kunnen gebruiken moet je dus een kettingreactie in het lithium teweeg brengen. Dat is mogelijk, maar lastig. En als die nieuwe tritiumkernen er dan zijn, moeten ze ook nog terug het plasma in geleid worden.

Waterstof komt voor in drie vormen of isotopen. Gewoon waterstof, ook wel protium genoemd, bestaat uit een proton en een elektron. Deuterium of ‘zwaar waterstof’ heeft in zijn kern behalve dat proton ook nog een neutron. Tritium heeft zelfs twee neutronen.

Te mooi om waar te zijn

Daar komt nog bij dat de voorraad lithium op aarde niet oneindig is. Zelfs als het de onderzoekers bij ITER of NIF dus lukt om een werkende fusiereactor te maken zijn we nog niet zover dat we gratis oneindig veel energie uit simpel water kunnen halen. Het visioen van de pioniers in de tijd van Bethe was te mooi om waar te zijn. Dat neemt niet weg dat fusie één van de weinige manieren van energieopwekking is die in theorie de aarde niet aan zou tasten en geen CO2-uitstoot zou moeten veroorzaken.

Kernfusie is voorlopig nog geen kandidaat om het energieprobleem op aarde op te lossen. Er staan nog teveel obstakels in de weg, en het zal tientallen jaren duren voordat die uit de weg zijn geruimd. We zullen het tot die tijd moeten doen met de fossiele brandstoffen die ons nog resten, aangevuld met alternatieven als wind-, water- en zonne-energie en ouderwetse kerncentrales. Maar áls het ooit lukt om het grillige plasma in bedwang te krijgen en fusie-energie te produceren zijn we wel voorgoed van dat energieprobleem af.

Zie ook:

Meer over kernfusie op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/kernfusie.atom", “max”=>"15", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 02 april 2010

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.