Kernfusie
Van Wikipedia
Kernfusie is het samensmelten van de kernen van verschillende atomen, waarbij een ander element wordt gevormd. Wanneer atomen van lichte elementen zoals waterstof samensmelten, komt energie vrij. Het fuseren van zware atomen kost energie. De overgang tussen 'licht' en 'zwaar' ligt in deze context bij het element ijzer.
Kernfusie is de energiebron van de zon en de sterren. De zon zet per seconde 600 miljoen ton waterstof om in 596 miljoen ton helium. Het verschil in de massa, vier miljoen ton, is in energie omgezet, waarbij de beroemde formule van Albert Einstein, E = mc², geldt. Kernfusie is ook de energiebron van een waterstofbom.
Kernfusie is geen kettingreactie, zodat het proces intrinsiek veilig is. 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.
Inhoud |
[bewerk] Reactie
Bij de kernfusie die voor gebruik in fusiereactoren gebruikt moet gaan worden wordt een deuteriumkern (waterstof met 1 neutron) en een tritiumkern (waterstof met 2 neutronen) omgezet in een heliumkern, energie, en een neutron.
De formule: D + T => 4He + n + 17.6 MeV
Hierbij staat het bedrag 17.6 voor de vrijkomende energie, in mega-elektronvolt (zie ook bij massa-energierelatie).
Om kernen te laten samensmelten is er een grote kinetische energie nodig om de kernen bij elkaar te brengen, omdat ze elkaar door hun elektrische lading sterk afstoten. Pas wanneer de kernen dicht genoeg bij elkaar komen krijgt de sterke kernkracht er vat op en vindt fusie plaats. De kernen hebben in principe voldoende snelheid bij ca. 15 miljoen graden Celsius. Bij deze temperatuur vormen de atomen een plasma. Dit houdt in dat atoomkernen en elektronen los door elkaar rondvliegen. Voor een acceptabele fusieopbrengst moet de temperatuur echter nog ongeveer tien keer hoger liggen, ca 150 miljoen graden Celsius.
Om de atomen 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.
[bewerk] Magnetische opsluiting
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 cirkelvormige baan gaat beschrijven. Het magneetveld is zo gevormd dat kernen die uit de cirkel willen ontsnappen daarin door de Lorentzkracht worden teruggeduwd.
[bewerk] 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.
[bewerk] Wetenschappelijk onderzoek
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. Hoewel er dus geen netto energieproductie was, is de JET wel nog steeds wereldrecordhouder opwekking fusie-energie.
Sinds 2006 werkt de fusie-gemeenschap aan een groot internationaal fusie-experiment, de ITER. ITER staat voor International Tokamak Experimental Reactor, en is een project tussen Europa, Rusland, de VS, Japan, China, India en Zuid-Korea. ITER, die naar verwachting rond 2016 in bedrijf komt, moet aantonen dat fusie op aarde mogelijk is. ITER zal 500 megawatt produceren, tien maal meer dan nodig is om de reactie op gang te brengen. De reactor zal in Cadarache in Zuid-Frankrijk gebouwd worden.
Een aantal wetenschappers doet onderzoek naar koude kernfusie, kernfusie bij kamertemperatuur. Tot nu toe blijken hun pogingen steeds niet reproduceerbaar, en deze lijn van onderzoek wordt weinig serieus genomen. Er zijn claims van Pons en Fleischmann geweest, en claims van kernreacties bij sonoluminescentieproeven in gedeutereerd aceton, waarbij minieme belletjes in een vloeistof krachtig collaberen. Beide zijn vooralsnog onbewezen.
In Nederland werkt het FOM-instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, te Nieuwegein, aan kernfusie. In België wordt fusie-onderzoek gedaan bij het Laboratorium voor Plasmafysica van de Koninklijke Militaire School te Brussel.
