kernfusie

Isotopenscheiding met kooimoleculen brengt kernfusie dichterbij

Laat een reactie achter / natuurkunde, Scheikunde, Techniek, Wetenschap / Door / 4 november 2019

Deuterium, een belangrijke grondstof voor kernfusie, is nu lastig te winnen en daarom duur.

Indertijd, in de jaren tachtig van de vorige eeuw was het groot nieuws: het bestaan van buckyballs (C60), voetbalvormige koolstofmoleculen. Met het ontdekken van buckyballs ontstond ook het concept dat atomen, ionen en kleine moleculen in deze “kooi” opgesloten konden worden. Sindsdien is het stil rond buckyballs en soortgelijke moleculen. Alleen grafeen en koolstofnanobuisjes mogen zich in blijvende belangstelling verheugen. Nu blijk er toch een spectaculaire nieuwe toepassing te zijn. Voor kernfusie is deuterium nodig. Dat verschilt van de meest voorkomende vorm van waterstof omdat er niet alleen een proton, maar ook een neutron in de kern zit. Ongeveer één van de 6240 waterstofatomen is een deuteriumatoom. (Er is nog een derde waterstofisotoop, tritium (wellicht bekend van de ’tritium lights’), een radioactieve variant met een halfwaardetijd van iets meer dan tien jaar. Daarom komt tritium van nature bijna niet voor).

Deuterium scheiden van protium, ‘normale’ waterstof, is een moeizaam proces: beide isotopen zijn chemisch namelijk vrijwel identiek. Weliswaar is deuterium door de dubbele massa iets langzamer in chemische reacties dan protium, en zijn hoge concentraties deuterium in het lichaam (denk aan vele procenten van alle waterstof) daarom giftig, maar erg groot is dit verschil niet. Erg vervelend, want nu moeten beide isotopen met behulp van kostbare technieken, zoals gasdiffusie, van elkaar gescheiden worden. Op dit moment kost pure deuterium daarom enkele duizenden euro’s per kilogram.

Met deze nieuwe techniek komt hier, mogelijk, verandering in. De speciale moleculaire structuur van de separatorlaag – met strategisch geplaatste grote en kleine holtes – versnelt de zwaardere deuteriumdeeltjes ten opzichte van de protiumdeeltjes. Op die manier ontstaat een verrijking in deuterium in het concentraat. Als deze stap maar vaak genoeg herhaald wordt, ontstaat er uiteindelijk een zeer deuteriumrijk concentraat. Als deuterium eenmaal een hoog percentage van het concentraat uitmaakt, is het veel eenvoudiger om het deuteriumgehalte nog verder op te voeren.

Deuterium is de zwaardere variant van waterstof. Deuterium is zeldzaam: slechts 1 op de 3200 waterstofatomen op aarde is een deuteriumatoom. Bron: dancingwithwater.com
Deuterium is de zwaardere variant van waterstof. Deuterium is zeldzaam: slechts 1 op de 3200 waterstofatomen op aarde is een deuteriumatoom. Bron: dancingwithwater.com

De gebruikte techniek werkt alleen bij temperaturen die ongeveer dertig graden boven het absolute nulpunt liggen. De onderzoekers hopen een variant van de isotopenscheiding te ontwikkelen, die ook bij hogere temperaturen is toe te passen.

Bron:
Ming Liu et al. Barely porous organic cages for hydrogen isotope separation, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aax7427

Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin

Patent aangevraagd op kernfusiereactor

4 reacties / natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten / Door / 6 april 2018

De Amerikaanse wapenfabrikant Lockheed Martin, hier in de lage landen vooral bekend wegens de gelijknamige affaire, heeft patent aangevraagd op een kernfusiecentrale. Is dit een manier om investeerders te lokken, of staat er echt wat groots op stapel?

Kernfusie, het samenvoegen van twee kleine atoomkernen tot een grotere atoomkern, heeft veel in zich om de belangrijkste energiebron te worden. De energiedichtheid is iets hoger dan die van kernsplijting, er komt nauwelijks radioactief afval bij vrij en de uitgangsstoffen, de waterstofisotopen deuterium en tritium, komen op aarde veel voor. Ongeveer één op de tienduizend waterstofatomen is een deuteriumatoom. Anders dan bijvoorbeeld  zonne-energie werkt kernfusie dag en nacht, ongeacht de weersomstandigheden. Er is alleen één probleem. Het is weliswaar gelukt om kernfusie te bereiken, maar nog nooit om meer energie uit kernfusie te halen dan er in wordt gestoken: het break-even punt (uitgezonderd, uiteraard, waterstofbommen). Het wereldrecord staat op dit moment op naam van de Z-pinch van de National Ignition Facility in de VS, die er in slaagde om meer energie uit de fusieatomen te produceren, dan er door de lasers in werd gepompt. Dit klinkt indrukwekkender dan het is: lasers zetten maar enkele procenten van de toegevoerde energie om in laserstraling. Voor echte ‘ignition’ moet de efficiëntie zeker factor tien omhoog.

De kernfusiegroep van Lockheed Martin zegt, met hun ontwerp een levensvatbare kernfusiereactor te kunnen bouwen. Bijzonder aan hun ontwerp is dat het erg compact is voor de hoeveelheid vermogen die de centrale wil gaan opwekken. In sterren zoals de zon vindt kernfusie plaats door de zeer hoge temperaturen, boven de tien miljoen graden, in de kern. Ook in traditionele ontwerpen zoals de tokamak is de temperatuur van het plasma tientallen miljoenen graden. Dit is tienduizenden malen hoger dan zelfs de meest geavanceerde materialen aankunnen, dus technici maken gebruik van zeer sterke magneetvelden om het plasma opgesloten te houden. Bij kleine volumes lekt er veel energie weg. De reden dat experimentele reactoren zoals ITER meer dan tien meter in omvang zijn. Lockheed kiest voor een ontwerp dat in principe op een vrachtwagen past. Naar opgave van de fabrikant moet het uiteindelijke model een stad van 100.000 mensen van energie kunnen voorzien.

Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin
Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin

Lockheed heeft nu een patent ingediend[2]. Drie andere patenten staan op de rol.

Overigens bestaat er behoorlijk wat scepsis over de claims van Lockheed. Ook lijkt de nieuwste incarnatie van hun reactor nu een factor 100 groter volume te hebben, en hiermee aardig in de buurt te komen van low-beta concurrenten zoals ITER. To be continued.

Bronnen
Lockheed Compact Fusion Research Group
Lockheed Martin Corporation, Encapsulating magnetic fields for plasma confinement, patent

 

De stellarator Wendelstein 7-X, opengewerkt. Bron: Science.org ex. RD.

Stellarator blijkt te werken

7 reacties / Ideeën / Door / 18 december 2015

De Duitse stellarator Wendelstein-7x heeft meer weg van een buitenaards relict dan van een nieuwe energiebron. Toch is er een goede kans dat de negentien jaar en miljoen gewerkte uren leiden tot een overvloedige energiebron: kernfusie.

Kernfusie: schone kernenergie
Kernfusie berust op het principe, dat het energie oplevert om lichte atoomkernen samen te smelten tot iets zwaardere atoomkernen. Dit proces laat de zon, en de overige zichtbare sterren in de Hoofdreeks, schijnen. Anders dan kernsplijting, levert kernfusie weinig tot geen gevaarlijke neutronen of radioactieve afvalproducten. Meer informatie over methoden voor kernfusie in ons overzichtsartikel.

De stellarator Wendelstein 7-X, opengewerkt. Bron: Science.org ex. RD.
De stellarator Wendelstein 7-X, opengewerkt. Bron: Science.org ex. RD.

Wat is een stellarator?
De stellarator houdt net zoals de bekendere tokamak het plasma gevangen in een soort ring. Alleen is de ring van de stellarator zo geconstrueerd, dat het plasma alleen al door de magnetische velden op zijn plaats wordt gehouden. Bij een tokamak, waar de ring een simpele donutvorm heeft, wordt het magnetische veld zwakker aan de randen (waardoor het plasma weglekt en de elektrische stroom nodig is), bij een stellarator zijn de spoelen onderling zo opgesteld, dat de magneetvelden aan de rand van de plasmabundel sterker zijn en de plasmadeeltjes minder  snel weglekken. Er loopt geen elektrische stroom door het plasma. Dit maakt dat de stellarator compacter kan blijven dan een traditionele tokamak en, heel belangrijk, tot een half uur achter elkaar kan blijven werken. Erg handig als je stroom opwekt. De stellarator heeft ook enkele nadelen, zoals het veel sneller weglekken van plasma en het kronkelige pad, waardoor veel ‘Bremsstrahlung’ ontstaat: elk geladen deeltje dat van richting of snelheid verandert, geeft energie af in de vorm van elektromagnetische straling. Energie die je eerst moet toevoeren en de reden dat in het verleden de stellarator werd ingeruild voor de tokamak.

Wendelstein 7-X
De Duitse stellarator Wendelstein 7-x had eigenlijk al in 2006 operationeel moeten zijn, maar problemen met de spoelen stelden dit moment uit tot oktober 2015. De zeer complexe configuratie van stellarators – in dit ontwerp zijn er maar liefst vijftig magnetische spoelen – maken het lastig om problemen op te lossen, maar de sterk toegenomen rekenkracht van computers helpt. Na negentien jaar intensief ploeteren slaagde de eerste test: er ontstond heliumplasma, dat een half uur binnen de ring bleef. Begin 2016 starten de proeven met waterstof. Dan beginnen de eigenlijke fusie-experimenten pas.

Komt er nu overvloedige energie?
Ja, dat in ieder geval. De meest veelbelovende ontwikkeling, waar we ook zeker op kunnen rekenen is zonne-energie. In de tropen en subtropen is de zon nu al voordeliger dan fossiel. In de gematigde breedtegraden, zoals Noord-West Europa en het noordelijke deel van Noord-Amerika ligt de zaak complexer, maar ook hier wordt de zon steeds interessanter. Een werkende fusiereactor zou in het noordelijk deel van de wereld de energieproblemen overtuigend oplossen en onze afhankelijkheid van dictaturen als Saoedi-Arabië en Qatar drastisch verminderen. Immers, een fusiereactor werkt dag en nacht. Reden om ontwikkelingen als de stellarator goed in de gaten te houden. Wat hier op Visionair ook zal gebeuren.

Meer informatie
Feature: Germany fires up bizarre new fusion reactor – Science.org
Wendelstein 7-x – Max Planck Institut für Plasmaphysik

Nieuwe, goedkopere ontwerpen voor tokamaks, zoals deze ARC-2 reactor, beloven betaalbare fusie-energie binnen bereik te brengen. Bron: MIT

Welke methoden voor kernfusie zijn er?

Laat een reactie achter / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Wetenschap / Door / 18 december 2015

Kernfusie, het proces dat de zon haar energie geeft, is de overvloedigste energiebron die we kennen. Helaas is er nog steeds geen kernfusiereactor die meer nuttige energie levert dan er in gaat, maar het over-unity punt komt in zicht.

Wat is kernfusie?
De energiegunstigste atoomkernen zijn stabiele ijzer- en nikkelkernen met rond de 50-60 deeltjes in de kern. Recordhouder is de atoomkern ijzer-56 met 26 protonen en 30 neutronen. Hieromheen hangen dan weer 26 elektronen, die de positieve lading van de protonen neutraliseren.
Er zijn twee manieren om energie uit atoomkernen te halen: kernsplitsing en kernfusie. Het resultaat van beide is dat de nieuw ontstane atoomkernen qua grootte meer op die van ijzer en nikkel gaan lijken. Kernsplitsing, waarbij zware atoomkernen zoals die van uranium uiteenvallen in lichtere, levert in kerncentrales nu al veel energie. Nadeel van kernsplitsing is dat er meestal instabiele, radioactieve atoomkernen ontstaan.

Nieuwe, goedkopere ontwerpen voor tokamaks, zoals deze ARC-2 reactor, beloven betaalbare fusie-energie binnen bereik te brengen. Bron: MIT
Nieuwe, goedkopere ontwerpen voor tokamaks, zoals deze ARC-2 reactor, beloven betaalbare fusie-energie binnen bereik te brengen. Bron: MIT

Kernfusie, waarbij lichte atoomkernen (denk aan waterstof-2, helium-3 en lithium-6) samensmelten tot zwaardere, lukt op dit moment alleen op kleine schaal in fusors (waar het veel meer benutbare energie kost dan er vrijkomt) en natuurlijk in waterstofbommen. Omdat er veel meer lichte atomen zijn dan zware, en de opbrengst per kerndeeltje veel groter is (en er nauwelijks gevaarlijke instabiele isotopen ontstaan), is kernfusie een erg interessant proces om de steeds energiehongeriger wereld van voldoende energie te voorzien.

Hoe laat je atoomkernen op elkaar botsen?
Atoomkernen bestaan uit positief geladen deeltjes, de protonen, en neutrale neutronen. De neutronen vormen de lijm, die met hun sterke kernkracht-interactie de protonen bij elkaar houden. De protonen stabiliseren weer de neutronen, omdat ze het voor de neutronen erg energie-ongunstig maken om uiteen te vallen in een proton met elektron. HET technische probleem bij kernfusie is, de atoomkernen die je wil laten fuseren elkaar te laten raken. Immers, ze stoten elkaar af door hun positieve lading. Schiet je maar een fractie te hard, dan kaatsen de kernen weg voordat ze kunnen fuseren.

Samenpersen en koude kernfusie
Hier kan je verschillende strategieën voor volgen. In een waterstofbom en de Amerikaanse Z-pinch Z Machine worden de atoomkernen zeer sterk op elkaar geperst (door een splijtingsbom resp. lasers). Waterstofbommen werken, helaas. De Z Machine wekt fusie op, maar te weinig om te benutten voor stroomproductie.

In een fusor worden kernen afgeschoten op de doelwit-kernen, wat een (lage) hoeveelheid kernfusie oplevert. Met muonfusie worden elektronen vervangen door de zware muonen, waardoor de kernen veel dichter op elkaar komen te zitten, met een veel grotere kans op fusie, zelfs bij kamertemperatuur. Helaas zijn muonen zeer instabiel en kost het veel meer energie om de muonen te maken, dan de fusie oplevert. Muonfusie is de enige bekende werkende methode voor LENR, een verzamelterm voor lage-temperatuur kernfusie. LENR is in de wetenschappelijke wereld zeer omstreden. Op dit moment is er geen fusie aangetoond in een LENR-reactor. Althans: niet door publicatie in een peer-reviewed mainstream wetenschappelijk tijdschrift. Enkele honderden gedreven onderzoekers trotseren de banvloek van de mainstream wetenschap met hun LENR-onderzoek. Zij geloven wel kernfusie te stellarator hebben gerealiseerd, zij het nog te weinig om als energiebron te dienen.

De tokamak
Dan komen we bij de derde voornaamste techniek om kernfusie te realiseren. Schep een gas (bij deze temperaturen: een plasma) van vele miljoenen graden heet. Binnen dit plasma vinden zoveel botsingen plaats, dat er altijd enkele botsingen precies de juiste snelheid hebben voor kernfusie. Als je voorkomt dat het plasma te snel weglekt en energie verliest, heb je een reactor. De succesvolste reactor van dit type is de tokamak, uitgevonden in de toenmalige Sovjet-Unie. De tokamak is een donutvormige ring van plasma, die op zijn plaats wordt gehouden met enorme elektromagneten en een sterke ringvorminge elektrische stroom door het plasma. Dit plasma is namelijk zo heet, dat geen enkel bekend materiaal er tegen bestand is. ITER, de onderzoeksreactor in het Franse Cadarache, is van dit type. Een andere, na een lange tijd weer populairder wordend model is de stellarator.

De stikstofgekoelde, supergeleidende REBCO kabel (links) kan evenveel stroom geleiden als de dikke stroomkabel (rechts). Dankzij deze technologie kan het nieuwe fusiereactormodel tien keer zo compact worden.

Krachtiger magneetveld maakt over-unity kernfusiereactor voor het eerst mogelijk

1 reactie / Ideeën / Door / 12 augustus 2015

Een experimentele kernfusiereactor zoals ITER kost tientallen miljarden, maar is nog steeds niet in staat meer elektriciteit op te leveren dan er in gaat. Dat gaat veranderen met een nieuw reactordesign, zegt althans een groep onderzoekers.

Enorm potentieel, altijd dertig jaar in de toekomst
Kernfusie ligt altijd dertig jaar in de toekomst, gaat een oude grap die al zo lang meegaat als kernfusieonderzoek zelf. En dat is lang: al meer dan zestig jaar wordt er onderzoek gedaan naar kernfusie. Dat is niet voor niets. Kernfusie, het samensmelten  van twee lichte atoomkernen tot een zwaardere atoomkern, zou ons in staat stellen om gebruik te maken van een bijna onuitputtelijke energiebron. Er is op aarde rond de 1015 ton deuterium. Een kubieke meter zeewater bevat 300x meer energie dan een kubieke meter benzine.
Het project begon als een uit de hand gelopen studentenopdracht aan de Amerikaanse technische universiteit MIT in Boston, in een werkgroep geleid door een van de auteurs, Dennis Whyte. Door deze opdracht kregen de studenten de smaak te pakken en bleven aan het project werken.

De stikstofgekoelde, supergeleidende REBCO kabel (links) kan evenveel stroom geleiden als de dikke stroomkabel (rechts). Dankzij deze technologie kan het nieuwe fusiereactormodel tien keer zo compact worden.
De stikstofgekoelde, supergeleidende REBCO kabel (links) kan evenveel stroom geleiden als de dikke stroomkabel (rechts). Dankzij deze technologie kan het nieuwe fusiereactormodel tien keer zo compact worden.

Half zo klein als de ITER-reactor
In de nieuwe fusiereactor, op basis van het bestaande tokamakmodel van ITER, wordt gebruik gemaakt van bestaande technologie en materialen. Het is dus een nu al haalbaar ontwerp. Tokamaks hebben een reactiekamer in de vorm van een torus, of donut. Het verschil is, dat in de nieuwe reactor alle koperen stroomkabels rond de reactiekamer zijn vervangen door een supergeleidend materiaal. Daardoor kunnen er veel sterkere stromen doorheen en dus worden de elektromagneten, die het plasma in de fusiereactor gevangen houden, veel krachtiger. De hoeveelheid fusie in een tokamak fusiereactor neemt toe met de vierde macht van de sterkte van het magneetveld. Daardoor kan de fusiereactor de helft kleiner, en dus goedkoper, worden dan de bestaande tokamakreactors. Het magneetveld in de nieuwe reactor is bijna twee keer zo sterk als in ITER, waardoor de hoeveelheid fusie tien keer zo groot wordt. ITER is een monsterlijk ding met een doorsnede van een meter of dertig. Deze nieuwe reactor is veel kleiner, rond de vijftien meter. De reactor kan eveneens in tien jaar gebouwd worden, maar voor een aanzienlijk lager bedrag dan de 25 miljard euro die het ITER-project opslokt.

Het materiaal dat in het nieuwe ontwerp voor de stroomkabels wordt gebruikt, de met vloeibare stikstof gekoelde supergeleider REBCO, bestond nog niet toen ITER werd ontworpen.

Papier is geduldig
Het gaat hier om een ontwerp dat nog niet in de praktijk is gebouwd. Hoewel de fysica erachter bekend is en uitgebreid getest, kunnen er altijd nu nog niet voorziene complicaties optreden. Mogelijk veroorzaken de extreem sterke magneetvelden een quench in de REBCO supergeleider, doordat ze de supergeleidende zone inperken en zo overbelasten.

Bron
ARC: A compact, high-field, fusion nuclear science facility and demonstration power plant with demountable magnets,” Fusion Engineering and Design, dx.doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.07.008

Diagram van de Compact Fusion Reactor van Lockheed Martin. Bron: Lockheed Martin.

‘Kernfusie over vijf jaar realiteit’

13 reacties / Techniek, Visionaire projecten / Door / 16 oktober 2014

Steeds meer hoopvolle berichten van kernfusieonderzoekers doen vermoeden dat er nu echt iets aan de hand is. Het laatste persbericht, deze keer van de Amerikaanse vliegtuiggigant Lockheed Martin, belooft ongeveer vijf jaar na 2014 een werkend prototype van een compacte fusiecentrale. Komt er dan eindelijk overvloedige en goedkope fusie-energie?

Vorige week beschreven we een compacte fusiecentrale, zoals die wordt ontwikkeld door de universiteit van Washington. Erg veel details over het prototype verstrekten beide onderzoekers niet. De medewerkers van onderzoekslab Skunkworks van Lockheed Martin zijn mededeelzamer. Ook hun systeem belooft een veel compacter alternatief voor de monsterachtige tokamaks, donuts van zeer krachtige magneten die het plasma (extreem heet mengsel van elektronen en atoomkernen) van miljoenen graden heet ingevangen houden.

Werking van de High Beta Fusion Reactor
De HBFR

Diagram van de Compact Fusion Reactor van Lockheed Martin. Bron: Lockheed Martin.
Diagram van de Compact Fusion Reactor van Lockheed Martin. Bron: Lockheed Martin.

Twee injectoren blazen fusiebrandstof in het plasma. Krachtige supergeleidende magneten in de vorm van twee ringen houden het plasma gevangen, waardoor, uiteindelijk, voldoende botsingen plaatsvinden om netto positieve energie op te leveren. De ingevangen neutronen reageren met het lithium om verse tritium op te leveren.

Elektriciteitscentrale op een vrachtwagen
In het 100 megawatt systeem van Lockheed Martin, dat op een vrachtwagen zou passen en een stad van 50.000 inwoners op westers welvaartspeil van elektriciteit kan voorzien, wordt het plasma gevangen gehouden door een magnetisch veld, dat sterker wordt naarmate de deeltjes verder van de reactorkern af raken. Deze magnetische fles wordt omgeven door een mantel van het zeer lichte metaal lithium, dat dient om waterstof-3 kernen (tritium) te kweken. Dit tritium fuseert met waterstof-2 kernen (deuterium; afkomstig uit zeewater) en levert helium-4 en een neutron, dat met het lithium-6 uit de reactormantel reageert: 6Li + n -> 3H + 4He en zo weer tritium levert.

Hoge bèta
De ‘bèta’ van dit systeem, een high bèta fusion reactor, ligt rond de 1, waar die van ITER twintigmaal zo laag ligt. Met bèta wordt de verhouding weergegeven tussen de magnetische druk en de plasmadruk. Hoe hoger de bèta, hoe minder plasma weglekt. Dit betekent dat er veel minder plasma weglekt uit de Lockheed-reactor, waardoor deze veel compacter en dus ook goedkoper kan zijn dan een traditionele tokamak zoals die van ITER. Een compacte reactor heeft veel oppervlak in verhouding tot de inhoud, waardoor er meer plasma weglekt: de reden waarom reactoren met een lage bèta monsterachtig groot moeten zijn.

Relatie met eerdere fusiereactor
Het is opmerkelijk dat Lockheed Martin een week na de presentatie van de UW-reactor met deze mededeling komt. Vermoedelijk voelt Lockheed Martin de hete adem in de nek van de concullega’s aan de Pacifische kust, die binnen de wetenschappelijke gemeenschap de nodige aandacht kregen en zo mogelijk kapitaalkrachtige investeerders kunnen binnenslepen. Op zich kunnen we denk ik alleen maar blij zijn met deze ontwikkeling. Nu er twee, met de Z-pinch meegerekend drie, kansrijke paarden in de race zijn naar commercieel levensvatbare kernfusie, komt goedkope energie ook voor weinig zonnige gebieden zoals Nederland en België binnen bereik. Voor dictatoriale regimes van landen die voornamelijk leven van de verkoop van fossiele brandstoffen, zoals Rusland en de oliestaten, is dit uiteraard een stuk minder prettig nieuws. Voor hun bevolking dan weer meer: zij worden dan de voornaamste belastingbetalers, dus kan hun overheid ze maar beter te vriend houden.

Lockheed Martin doet specifiek onderzoek naar compacte reactoren, omdat ze zeer interessant zijn in de core business van Lockheed: luchtvaart en ruimtevaart. Compact en met zeer veel vermogen, maken ze de nuttige lading van ruimtevaartuigen veel groter (nu is tot 97% van de startmassa van een ruimteschip nodig om de raket te lanceren) en stellen ze vliegtuigen in staat om desnoods jarenlang in de lucht te blijven zonder bij te tanken. Dit geldt ook voor schepen.

Bronnen
1. Compact Fusion: Lockheed Martin 2014
2. Skunk Works Reveals Compact Fusion Reactor Details, Aviation Week, 2014

De zonnepanelen wekken elektriciteit op om daarmee de fusie tot stand te brengen. Bron: Universiteit van Washington

Met een kernfusiemotor naar Mars

6 reacties / Ideeën, Ideeën en techniek, Visionaire projecten, Zonnestelsel / Door / 7 april 2013

Ambitie kan een spinoff van de Universiteit van Washington in de Amerikaanse stad Seattle niet ontzegd worden. Het team wil een ‘onmogelijke’ uitdaging – een bemande reis naar Mars – volbrengen door middel van iets wat tot nu toe nog niemand gelukt is: gecontroleerde kernfusie. Hoe groot is de kans dat het team uit Seattle voor elkaar krijgt wat nog niemand is gelukt?

De zonnepanelen wekken elektriciteit op om daarmee de fusie tot stand te brengen. Bron: Universiteit van Washington
De zonnepanelen wekken elektriciteit op om daarmee de fusie tot stand te brengen. Bron: Universiteit van Washington

De uitdaging
De planeet in het zonnestelsel die de meest leefbare omstandigheden heeft voor mensen – als we de atmosfeer van Venus op 50 km hoogte even buiten beschouwing laten – is Mars. De daglengte op Mars is een half uur groter dan op aarde. Ook zijn de temperaturen op Mars weliswaar erg laag, maar met een bereik van +25 tot -180 graden Celsius niet onoverkomelijk laag. Dat maakt Mars, met misschien de polen van Mercurius, de aantrekkelijkste bestemming voor een bezoek door astronauten. Het voornaamste probleem is de enorme delta v, snelheidsverandering, die nodig is om Mars te bereiken. Hiervoor is veel brandstof nodig en ook brandstof kent een (hoge) massa, waardoor slechts 3% van een raket uit nuttige lading bestaat. Een enkele lancering kost hierdoor al tientallen miljarden. Een lagere delta v betekent een lange reistijd, wat gezondheidsproblemen voor astronauten zal opleveren.

Kernaandrijving
De energiedichtheid van nucleaire brandstoffen is zes ordes van grootte (rond de factor miljoen dus)  groter dan die van chemische brandstoffen. Hierdoor hoeft veel minder brandstof meegesleept te worden. Kernaandrijving is daarmee de meest effectieve methode om het zonnestelsel open te leggen. Overigens blijft reactiemassa nodig, omdat raketten zich voortbewegen door het uitstoten van gassen. Wel daalt de hoeveelheid benodigde reactiemassa drastisch, omdat de uitgestoten deeltjes bij kernreacties relativistische snelheden bereiken, waardoor een veel hogere impuls wordt opgewekt dan bij chemisch aangedreven raketten. Hiermee behoren reizen naar Mars die slechts enkele maanden duren tot de mogelijkheden.

Fusieraket
Op dit moment bestaan er geen kernfusiecentrales die netto energie opwekken. De allerbest presterende kernfusiecentrale, de Britse tokamak JET, bereikte in 1997 plm. 65% van de toegevoerde energie. Toch is het principe van kernfusie redelijk simpel: het met precies de goede energie laten botsen van lichte atoomkernen om ze samen te laten smelten tot zwaardere atomen. Omdat deze energie zeer nauw begrensd is en er al snel chaotische effecten optreden, is er zestig jaar na de eerste kernfusie-experimenten nog steeds geen werkende kernfusiecentrale.

MSNW LLC denkt in staat te zijn om dit probleem op te lossen. Het bedrijf, een spin-off van de universiteit van Washington, heeft een techniek ontwikkeld om fusiebrandstof samen te persen met behulp van imploderende metalen ringen. Binnen deze ringen wordt een plasma  van fusiebrandstof geschoten, die door het extreem samenpersen in een extreem sterk magnetisch veld, een voldoend hoge temperatuur en dichtheid bereikt voor kernfusie. Aldus de theorie, want hoewel alle deelcomponenten van het systeem getest zijn en uitstekend blijken te werken, is er nog steeds geen proof-of-concept proef uitgevoerd waarbij daadwerkelijk voortstuwing wordt opgewekt. Wel is al (subkritische) kernfusie tot stand gebracht.
De eerste proeven met het complete systeem zullen zomer 2013 plaatsvinden.

Bron
Universiteit van Washington

Het geheim van de zon: door waterstofkernen samen te smelten tot heliumkernen komt er ongelofelijk veel energie vrij.

De Wereld Leert Door: de experimentele kernfusiereactor

13 reacties / Ideeën, Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 24 januari 2013

Sinds enkele weken wordt elke doordeweekse avond rond 22.30 uur op de publieke omroep het programma ‘De Wereld Leert Door‘ uitgezonden. In 12 minuten krijgt een wetenschappelijk onderzoeker de ruimte om iets over zijn of haar onderzoek aan het grote publiek te vertellen. In de uitzending van 15 januari was Willem Haverkort te gast en vertelde hij over de bijdrage die hij levert aan de in bouw zijnde kernfusiereactor in het zuiden van Frankrijk.

ITER

Het ITER-project is een internationaal samenwerkingsverband wat tot doel heeft om een werkend prototype van een kernfusiereactor te bouwen: ITER.  Hierbij gaat het om het aantonen van de wetenschappelijke en technische  haalbaarheid van kernfusie als energiebron. Momenteel participeren de Europese Unie, de Verenigde Staten, Japan, China, India, Zuid-Korea en Rusland in het project wat als het grootste wetenschappelijk experiment ter wereld wordt beschouwd. Halverwege de jaren 80 is dit project begonnen en in 2005 is besloten om in het Franse Cadarache ITER te gaan bouwen.

Extreme temperaturen

Het bekendste voorbeeld van een energiebron gebaseerd op kernfusie is de zon. Eerder is erop deze site een artikel verschenen waarin de werking van kernfusie aan de hand van de zon wordt uitgelegd en wat in dit artikel als iets moeilijks wordt beschouwd. En toch is dat de bedoeling van ITER: het nabootsen van de zon op aarde.

De grootste uitdaging hierbij is om de extreem hoge temperaturen in bedwang te houden die als gevolg van de fusie van de atoomkernen ontstaan. De temperatuur waar de onderzoekers van ITER zich op richten is 150 miljoen graden Celcius. Een temperatuur wat ongeveer 10x zo warm is als de centrum van de zon. Er is geen enkel materiaal bestand tegen dergelijke hoge temperaturen. Toch is er een oplossing: magneetvelden. Haverkort onderzoekt hoe het mogelijk is om magneetvelden te gebruiken om de plasma, die tijdens het proces ontstaat, te kunnen bedwingen. Het is namelijk de plasma die zulke hoge temperaturen bereikt en in bedwang moet worden gehouden om niet de reactorwand te bereiken.

Het doel is dat rond 2030 er een werkend apparaat is in de hoop dat andere landen het voorbeeld van ITER gaan volgen. Als het lukt om een werkend prototype van een kernfusiereactor te krijgen betekent dit een zeer belangrijke doorbraak in de zoektocht naar nieuwe geschikte energiebronnen als vervanging van de huidige bestaande.

De betreffende uitzending is hieronder te bekijken.

Bronnen

ITER, de Nederlandse Wikipedia

Het ITER-project, website ITER-NL

Willem Haverkort over kernfusie in De Wereld Leert Door, website NWO

Een zonnetornado. Ondertussen weten we dat ze niet echt draaien, en dus geen tornado's zijn. Bron: NASA

“Zonnetornado” op NASA-video

8 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 18 februari 2021

Stel je voor: een tornado zo groot als een continent. Of groter dan de aarde. Waanzin? Nee, althans niet elders in het zonnestelsel. Hebben we een zonnetornado waargenomen?

Een zonnetornado. Ondertussen weten we dat ze niet echt draaien, en dus geen tornado's zijn. Bron: NASA
Een “zonnetornado”. Ondertussen weten we dat ze niet echt draaien, en dus geen tornado’s zijn. Bron: NASA

Deze zonnetornado’s transporteren energie van het inwendige van de zon  naar de zonnecorona, de zeer ijle, maar extreem hete atmosfeer van de zon. Al langer is het een raadsel waarom de corona zo heet is. Zonnetornado’s en (vooral) de extreem sterke magnetische velden die er mee samenhangen, waren mogelijk de lang gezochte verklaring[1]. Aldus NASA. Mogelijk verklaren elektromagnetische velden ook de raadselachtige neutrinoflux bij zonnevlammen: de extreme versnellingen door de velden smakken atoomkernen zo hard op elkaar, dat kernreacties plaatsvinden die anders vele miljoenen graden vereisen.

Hoe zou het zijn om een reis te maken tot de diepste ingewanden van dit natuurverschijnsel? Een experiment met dodelijke afloop, dat gelukkig met een computer in grote lijnen te simuleren is. In deze video de kans, deze ervaring mee te maken.

“Zonnetornado’s” bleken gezichtsbedrog

Ondertussen is in 2018 door de collega’s van ESA ontdekt dat “zonnetornado’s” niet ronddraaien[2], en als zodanig dus niet tornado’s zijn maar iets anders.  Er bestaan wel heftige horizontale gasstromen in de structuur, maar deze verlopen in een rechte lijn. Niet rondtollend, zoals in een tornado. De zon is een geheel ander hemellichaam dan de aarde en er is niet echt een aardse equivalent voor dit natuurverschijnsel. Magnetische veldlijnen spelen een centrale rol.

Toch is er goed nieuws voor tornado-liefhebbers. Op Mars komen zwakke tornado’s voor in de zeer ijle atmosfeer. Venus telt vier grote draaikolken, twee boven de noordpool en twee boven de zuidpool. De grootste draaikolk van het zonnestelsel is natuurlijk de Grote Rode Vlek op Jupiter. Deze is groot genoeg om de aarde op te slokken.

Bronnen
1. Tornadoes On The Sun?, NASA, 2014
2. Giant solar tornadoes put researchers in a spin, Royal Astronomical Society via EurekAlert, 2018

Video: waarom schijnt de zon?

8 reacties / Zonnestelsel / Door / 22 februari 2012

98% van alle energie op aarde wordt geleverd door de zon. Waar haalt de zon de ontzagwekkende hoeveelheid energie vandaan om te schijnen? Negentiende-eeuwse astronomen stonden voor een raadsel. Pas met de ontwikkeling van de moderne atoomtheorie werd duidelijk wat er in de kern van de zon gebeurt: kernfusie. Deze korte video maakt je in twee minuten deelgenoot aan het geheim van de zon.