Conventional wisdom is dat kernfusie miljarden kost. Maar is dat wel zo? Een nieuwe golf startende bedrijfjes denken dat ze een goedkopere en snellere manier hebben bedacht om een tweede zon op aarde tot leven te wekken.
Zullen we op een dag de kracht van de zon op aarde kunnen temmen?
In een Zuid-Frans bos in de buut van het plaatsje Cadarache worden de eerste fundamenten gelegd voor de vijftien miljard euro kostende ITER, een monsterlijk gevaarte dat voor het eerst in de geschiedenis break-even moet bereiken met kernfusie. Ondertussen zijn een handjevol onderzoekers in Redmond (de vestigingsplaats van het hoofdkwartier van Microsoft) aan de Pacifische westkust van de Verenigde Staten druk in de weer met een slank, cilindervormig apparaat van ongeveer zestien meter lang. Geen hectares groot bouwterrein en geen supergekoeld vloeibaar helium. Wel het nodige enthousiasme en creativiteit, zo ook bij andere startende bedrijfjes.
In theorie is er voor kernfusie niet meer nodig dan twee atoomkernen voldoende hard op elkaar te laten botsen, zodat de elektromagnetische afstoting wordt overwonnen en ze samensmelten. Er is al kernfusie gerealiseerd in reactors van een paar centimeter groot. Het probleem is om er meer energie uit te halen dan er in werd gestopt. In de zon vindt kernfusie plaats omdat het materiaal zeer sterk verhit is (meer dan tien miljoen graden) en samengeperst. Daardoor vinden er veel kernfusiebotsingen per seconde plaats. In tokamakreactors worden nog hogere temperaturen bereikt door plasma in een ring van magneetvelden te vangen. Helaas zijn tokamaks, zoals de in aanbouw zijnde ITER, monsterlijk groot en peperduur. In tokamaks is het beste resultaat tot nu toe bereikt: in de JET (Joint European Tokamak) is 16 MW output met 20 MW toevoer van energie opgewekt. Met tachtig procent nog steeds onder break-even, maar door het gevaarte op te schalen zou het energierendement ver boven de 100% moeten komen te liggen. ITER moet 1000%, dus toen keer de energie die er in gestopt wordt, bereiken. Helaas gaat de vooruitgang met een slakkengang: pas in 2019 wordt het eerste plasma geproduceerd en de grootste optimisten voorspellen pas break-even in 2026.
Bovendien heeft de ITER nog een groot probleem: hij staat in Europa, nog wel in het weinig geliefde Frankrijk. Redenen genoeg dus voor de Amerikanen om te proberen sneller en voor veel minder geld het punt van break-even te bereiken. In Redmond probeert Helion Energy met hun Fusion Engine ITER te kloppen. Hiervoor gebruikt het bedrijf een fundamenteel andere techniek, die in 1960 ontwikkeld is door onderzoekers van de Amerikaanse marine. Twee kleine, compacte plasmabollen worden met een snelheid van honderden kilometers per seconde op elkaar gebeukt. In theorie zouden de condities die door de botsing worden opgewekt voldoende moeten zijn om de atoomkernen samen te brengen en fusie op te wekken.
Deze constructie is veel simpeler dan een tokamak, dus het apparaat kan veel kleiner (en dus goedkoper) worden. De reactie is intens en is over in een fractie van een seconde (de vermoedelijke reden waarom het Amerikaanse leger erg geïnteresseerd is) en neutronen worden alleen op het punt waar de reactie plaats vindt geproduceerd, waardoor ze makkelijk geoogst kunnen worden. De onderzoekers van Helion denken dat ze bij een slechts drie keer zo groot prototype kernfusie en zelfs break-even kunnen bereiken[1]. Het bedrijf beschikt al over vijf miljoen subsidie van het Amerikaanse leger en zoekt investeerders om voor twintig miljoen extra een levensvatbare centrale te bouwen.
Twee Italiaanse wetenschappers, Andrea Rossi and Sergio Focardi van de universiteit van Bologna, beweerden begin 2011 een werkende kernfusiecentrale te hebben gebouwd met uitgerekend nikkel. En toonden een demonstratiemodel. We kennen de details uiteraard niet, maar zou deze centrale werken? Zou het ding überhaupt kúnnen werken?
Nikkelisotoop is stabielste atoomkern denkbaar Op het eerste gezicht lijkt de gedachte alleen al krankzinnig. Nikkel-62 (de nikkelisotoop met een atoomgewicht van 62, m.a.w. 62 kerndeeltjes in de kern) is namelijk de atoomkern met de hoogste bindingsenergie per kerndeeltje. Nikkel kent maar liefst vijf stabiele isotopen, een ander teken dat aantoont hoe stabiel atoomkernen in dit gebied zijn. Ter vergelijking; goud, een zeer zwaar metaal, heeft maar één stabiele isotoop: goud-197. Het kost dus netto energie om nikkel-62 in welke andere atoomkern dan ook te veranderen. Aan de andere kant: slechts drie procent van alle nikkel bestaat uit nikkel-62. Als je net als de onderzoekers beweren te doen, gebruikt maakt van natuurlijk nikkel, dan zal je het meeste te maken hebben met de isotopen nikkel-58 (68%) en nikkel-60 (26%). De overige twee stabiele isotopen, nikkel-59 en nikkel-64, maken elk ongeveer een procent uit van alle nikkel.
Hoe werkt het proces?
Foto van de reactor
Rossi en Focardi beweren dat bij het proces waterstofgas (dat uit twee waterstofatomen bestaat) onder zeer hoge druk (2-80 atmosfeer) en temperatuur in nanodeeltjes nikkel wordt geperst. Op de een of andere manier zou het waterstof uiteenvallen in losse atomen, die zoals bekend uit een enkel proton, waaromheen een enkel elektron hangt, bestaan. De protonen reageren met de nikkelkernen waardoor energie vrijkomt en uiteindelijk koper ontstaat. Volgens de twee onderzoekers stopt de reactie als het nikkel “uitgeput” raakt, wat het geval zou zijn terwijl het grootste deel van het nikkel nog aanwezig is. Dit zou er op wijzen dat vermoedelijk nikkel-59, nikkel-64 of nikkel-62 betrokken zijn bij de reactie.
Koper kent twee stabiele isotopen: koper-63 en koper-65. Koper volgt op nikkel in het periodieke systeem. Het heeft een proton meer in de kern dan nikkel. Als nikkel een proton absorbeert (en niet uiteenvalt), verandert het dus in koper.
Energetische overwegingen Als we ervan uitgaan dat de kernreactie vrij eenvoudig is en alleen het absorberen van een proton omvat, zijn er twee mogelijke reactiepaden: 62Ni + p -> 63Cu of 64Ni + p ->65Cu. Dit zijn de enige twee reactiepaden waarbij door het opnemen van een proton, een stabiele vorm van nikkel in een stabiele vorm van koper verandert. De vraag is uiteraard of dat energie oplevert. Hiervoor moeten we de massa’s van de betrokken isotopen vergelijken. Massa is immers equivalent aan energie; als (bijvoorbeeld) nikkel-62 en een proton samen meer wegen dan koper-63, dan hebben we een proces dat energie oplevert.
Geen paniek, waarde lezer. De berekening is van lagere-school gehalte. NB: de atoomkernmassa’s worden hier uitgedrukt in daltons (een twaalfde van de massa van een koolstof-12 kern; een proton is 1.007282675 dalton). Een positief massaverschil betekent dat er massa verdwenen is, oftewel energie vrijgekomen is.
Nikkelisotoop
Atoomgewicht Ni-isotoop
Inclusief proton
Koperisotoop
Atoomgewicht Cu-isotoop
Massaverschil: Ni-Cu
nikkel-62
61,928345
62,935628
koper-63
62,929597
0,006031
nikkel-64
63,927966
64,935249
koper-65
64,927789
0,007460
De conclusie: als deze reactie optreedt komt er inderdaad energie vrij, omgerekend 5,6 tot acht miljoen elektronvolt. Dat is naar nucleaire begrippen niet erg veel. Ter vergelijking: als een uranium-235 atoom splijt, komt er 211 MeV vrij, dat is 25 tot 30 maal zoveel. Aan de andere kant: het gaat hier wel om een proces waarbij slechts minieme hoeveelheden straling vrijkomen, laat staan neutronen (die stabiele atoomkernen radioactief kunnen maken) en allerlei akelige radioactieve isotopen. Daarvoor is de hoeveelheid energie die vrijkomt domweg te klein. Als dit toestel werkt, met de nadruk op als, dan kan er dus inderdaad in iedere huiskamer een veilige kernreactor worden geplaatst. Een aantal heren met aandeeltjes in kolenmijnen of oliebronnen zullen dan heel hard vloeken. Er is ook geen fundamenteel fysische reden waarom dit niet zo kunnen werken.
Technische overwegingen Het voornaamste probleem bij kernfusie, ook bij deze vorm, is om twee positief geladen deeltjes bij elkaar te brengen zonder dat ze elkaar afstoten of zo hard botsen dat ze weerkaatsen zonder dat er een kernreactie plaats kan vinden. Daarom is de temperatuur in de kernen van sterren of in de experimentele fusiereactoren JET en ITER ook zo hoog. In dit geval gaat om het positief geladen proton en positief geladen nikkel. Om de elektrostatische afstoting tussen beide deeltjes te overwinnen, moet het proton een energie hebben van ongeveer een kwart MeV. Dit vereist gewoonlijk een temperatuur van tientallen miljoenen graden, zoals in het binnenste van sterren. Geen wonder dat kernfysici dus “onmogelijk” roepen.
Aan de andere kant heeft een nikkelkern een aantal zeer aantrekkelijke eigenschappen. Een massieve nikkelkern kan een veel breder energiespectrum absorberen dan een kleine kern als waterstof-2 (deuterium) of boor. Dit maakt kernfusie juist makkelijker: het proton hoeft niet exact de juiste snelheid te hebben. Ook is een nikkelkern ongeveer vijftien keer zo makkelijk te raken als een waterstof- of deuteriumkern (grotere nucleaire dwarsdoorsnede).
Koude-kernfusie experimenten worden gewoonlijk uitgevoerd met metalen die waterstof absorberen. Met andere woorden: dat nikkelatomen kunnen degenereren als er heel veel waterstof in wordt geperst. Bij extreem hoge druk kunnen er inderdaad tot enige massaprocenten waterstof in bepaalde metalen als palladium worden geperst. Ook bij nikkel is dit mogelijk. Focardi en Rossi gaan inderdaad uit van het zeer kortstondig bestaan van extreem instabiele zogeheten mini-atomen van waterstof, waarbij de elektronen veel dichter op het proton zitten. Deze atomen zouden ongeveer een 10-18 seconden bestaan. Kort, maar ongeveer 100 maal zo lang als kernreacties duren[2].
Hiermee zou inderdaad de Coulomb-afstoting worden overwonnen en kernfusie mogelijk zijn. Aan de andere kant: Bewijzen van dit soort atomen zijn nog nooit waargenomen. Experimenten moeten uitwijzen of dit klopt. Ook is prof. Christos Stremmenos, de schrijver van dit artikel, verantwoordelijk voor het naar Griekenland halen van deze vorm van koude kernfusie. Belangeloos is hij dus niet. Aan de andere kant: als ex-ambassadeur en professor heeft hij een reputatie te verliezen. En als de armlastige Grieken op dit moment Iets kunnen gebruiken is dat wel een bron van overvloedige bijna gratis energie…
Helaas is het laatste nieuws dat de proefopstelling vermoedelijk niet werkt. Er rijzen ook sterke twijfels aan de geloofwaardigheid van Rossi, omdat zijn claims niet blijken te kloppen en hij, in tegenstelling tot eerdere beweringen, hij toch vooruitbetaling eist.
Koude kernfusie zit in het verdomhoekje. Dit is onterecht. Natuurkundigen die beweren dat koude kernfusie fysisch onmogelijk is, geven hiermee blijk van een gebrekkige kennis van natuurkundige processen. Het probleem met koude kernfusie is niet de fysica, maar de techniek. Lees hier waarom.
Hoe levert kernfusie energie op?
Hoe meer de massa van een atoomkern en de verdeling van protonen en neutronen op die van stabiele vormen van nikkel en ijzer lijkt, hoe groter de bindingsenergie per kerndeeltje.
Alle baryonische materie (het spul dat uit protonen, neutronen en elektronen bestaat: in de praktijk dus alles om ons heen) bestaat uit atoomkernen waaromheen een wolk elektronen draait. In tegenstelling tot chemische reacties, waardoor alleen atomen andere gegroepeerd worden en de hoeveelheid elektronen verandert, veranderen bij atoomkernreacties ook de ‘eeuwige’ atoomkernen zelf. De hoeveelheid energie die hierbij vrij kan komen is rond miljoen maal groter dan bij chemische reacties. Enkele promilles van de massa van een atoomkern verandert bij kernfusie in energie.
Atoomkern: evenwicht tussen drie krachten
De meest stabiele atoomkernen zijn de stabiele vormen van ijzer en nikkel. Dat heeft te maken met het aantal nucleonen (protonen en neutronen) in de kern. In een atoomkern zijn er drie krachten belangrijk.
De zwakke kernkracht (die deeltjes als neutronen uit elkaar laat vallen) bijvoorbeeld. De sterke kernkracht houdt de drie quarks waaruit een proton en een neutron bestaan bij elkaar, maar een beetje sterke kernkracht ‘lekt’ uit het proton en neutron (de quarks in het ene nucleon wisselwerken een beetje met die van het andere nucleon). Dat restje van de sterke kernkracht (de sterkste kracht die we kennen) laat zo protonen en neutronen aan elkaar ‘kleven’. Tot slot is er de elektromagnetische kracht, die gelijke ladingen (zoals die van de positief geladen protonen) elkaar sterk laat afstoten.
Het aantal nucleonen is bij ijzer en nikkel groot genoeg voor een lage “oppervlaktespanning” in vergelijking met bijvoorbeeld waterstof, waar één kerndeeltje alleen rond zweeft. Tegelijkertijd is het aantal (positief geladen) protonen nog niet zo groot dat de kern door een overmaat aan positieve lading uit elkaar wordt geblazen. Ook ‘beschermen’ de protonen de ongeladen neutronen tegen uiteenvallen door de zwakke kernkracht, omdat het meer energie kost om een extra positief geladen proton tussen de bestaande protonen te proppen, dan het oplevert om een neutron uit elkaar te laten vallen. Kortom: de neutronen werken door de sterke kernkracht als lijm, de protonen houden met hun positieve lading de neutronen gevangen in hun staat als neutron.
IJzer en nikkel: volkomen uitgemolken atoomkernen
Zware atoomkernen zoals goud en uranium kunnen alleen gevormd worden als ijzer- of nikkelkernen in zware sterren neutronen invangen (in vaktermen: het r-proces of s-proces). Bron: astronomy.com
Elke kernreactie waarbij de resulterende kern qua aantallen nucleonen meer op die van nikkel of ijzer lijkt, levert energie op. De bindingsenergie is bij nikkel en ijzer maximaal. Omdat de bindingsenergie negatief is, betekent dat dus ook, dat het extreem veel energie kost om een ijzer- of nikkelkern uit elkaar te slopen. Daarom is het voor een grote ster ook einde oefening als hij eenmaal ijzer en nikkel heeft gevormd. De stralingsdruk valt weg waardoor de ster door de verpletterende zwaartekracht in elkaar klapt. Je krijgt dan een verwoestende explosie: een supernova, die grote hoeveelheden materie, zoals de atomen waaruit jij en ik bestaan, het heelal inspuwt.
Bij kernsplitsing, bijvoorbeeld van de extreem zware uraniumkernen, komt energie vrij omdat de onderlinge elektromagnetische afstoting in de kleinere kernen veel kleiner is. Bij kernfusie, bijvoorbeeld van waterstof in helium, ontstaat vrije energie omdat het restantje van de sterke kernkracht het veel energiezuiniger maakt om twee protonen en twee neutronen aan elkaar te laten kleven dan om vier losse waterstofatomen (dus vier losse protonen met elektronen er om heen) te laten bestaan.
Atoomkern nog steeds een grote onbekende
Overigens weten we minder van de fysica van atoomkernen dan veel mensen denken. De processen in een atoomkern vinden zo’n honderdduizend maal sneller plaats dan die bij chemische reacties, die al extreem snel verlopen. Wat we waarnemen is niet wat er direct in een atoomkern gebeurt, maar het resultaat van misschien wel duizenden gebeurtenissen. We kunnen weliswaar redelijk accuraat berekenen hoe stabiel bepaalde atoomkernen zijn, m.a.w. het eindresultaat voorspellen, maar niet wat er precies gebeurt. Met andere woorden: op atoomkerngebied zijn we zo ver als chemici begin twintigste eeuw op scheikundegebied.
Ook zijn er allerlei vreemde verschijnselen. Er blijken bijvoorbeeld zogeheten “magische getallen” te bestaan, waardoor sommige aantallen kerndeeltjes stabieler zijn dan andere. Waarom, weet niemand. Geen wonder. Het vereist al een extreem snelle supercomputer om te berekenen wat er in één enkel proton of neutron gebeurt, laat staan in een grote atoomkern.
Enige bescheidenheid zou sommige kernfysici, vooral de hete-kernfusie onderzoekers, dus sieren. De manier waarop ze collega’s verketteren die de wetenschappelijke methode op integere manier volgen en ten koste van veel persoonlijke opofferingen onderzoek doen naar koude kernfusie, is schandelijk en een wetenschapper onwaardig.
Kernfusie is een overvloedige bron van energie. Een reageerbuisje met water bevat al meer potentiële fusie-energie dan zelfs een Amerikaan zijn hele leven verbruikt. De Farnsworth fusor is al voor enkele honderden euro te bouwen. En hij werkt, zij het dat er veel meer energie in moet worden gestopt dan er uit komt.
Alleen waterstofbom levert bruikbare kernfusie-energie op
Het fundamentele technische probleem bij kernfusie is dat twee positief geladen atoomkernen met elkaar moeten samensmelten. Dat is extreem lastig. Positieve ladingen stoten elkaar namelijk af. De beste oplossing is ze met hoge snelheid tegen elkaar te laten botsen, maar dit moet heel precies worden uitgekiend. is de snelheid te hoog, dan kaatsen de atoomkernen weer van elkaar weg zonder dat ze samen konden smelten. In de zon vindt toch kernfusie plaats, omdat de atoomkernen zo snel bewegen en zo vaak botsen, dat ze geregeld de afstoting overwinnen en samensmelten.
Helaas is het nu onmogelijk om een temperatuur van veertien miljoen kelvin en de extreme druk in de kern van de zon na te bootsen. Tokamakbouwers doen hun best, maar zelfs met de beste tokamak tot nu toe, ITER, zal het break-even point waarbij er meer energie wordt opgewekt dan in het apparaat wordt gestopt, voorlopig niet in zicht komen. Een bekende grap onder fusieonderzoeker is dan ook de fusieconstante: een werkende fusiecentrale ligt per definitie altijd vijftig jaar in de toekomst. De reden dat veel onderzoekers pessimistisch zijn over kernfusie. Er is maar één toepassing van kernfusie bekend die (veel) meer energie oplevert dan er in wordt gestopt: de waterstofbom. Niet echt ideaal voor huis- tuin- en keukengebruik.
Op dit moment leveren tokamaks het hoogste rendement op (maar moet er nog steeds meer energie in dan er uit komt). Tokamaks zijn donutvormige ringen waarin een honderden miljoenen graden heet plasma van deuterium wordt vastgehouden door extreem sterke magneetvelden zodat het niet kan ontsnappen. Botsingen tussen de deuterium- en tritiumkernen (deuterium en tritium zijn vormen van waterstof met extra neutronen in de kern) zijn dan zo energierijk dat ze samen gaan smelten en er energie vrij komt.
Farnsworth’s fusor
De Farnsworth fusor. Het spanningsverschil tussen de buitenste schil en de binnenste bol trekt de waterstofionen naar binnen.
Philo T. Farnsworth was een prototype uitvinder: zeer intelligent, technisch begaafd en eigenwijs maar geen handig zakenman. Hij werd ontslagen, begon voor zichzelf en ging bijna failliet. Hij stierf arm als een kerkrat, maar enthousiaste amateur-onderzoekers over de hele wereld (met een paar groepen professionele wetenschappers) werken aan het verbeteren van zijn fusor.
De fusor werkt via een fundamenteel ander principe dan de op dit moment populaire tokamaks als ITER. Tokamaks verhitten alle deuteriumkernen. In een fusor worden deuteriumkernen gericht op elkaar afgeschoten met precies de juiste snelheid, zodat de atoomkernen elkaar niet afstoten door een te lage of hoge snelheid. Veertien miljoen graden Celsius is extreem heet, maar in feite is het niet erg moeilijk om een waterstofkern de energie mee te geven die hiermee overeen komt. Het enige wat je nodig hebt is een wat fors uitgevallen elektronenkanon, zoals die in ouderwetse beeldbuizen voorkwamen. Als je een waterstofkern in een elektrisch veld van tienduizend volt versnelt en op een andere kern laat botsen, is kernfusie al mogelijk. Tienduizend volt is hoogspanning, maar niet moeilijk om te halen. Inderdaad is al kernfusie bereikt en worden fusors al als neutronenbron gebruikt.
Polywell
Het probleem is dat het apparaat veel meer energie verbruikt dan er vrij komt. Maar een minuscule fractie van het waterstof raakt de andere kernen. Ook wordt de binnenste, negatief geladen ring (die de ionen aantrekt en het plasma moet vasthouden) geregeld geraakt door de waterstofionen, wat uiteraard een verwoestende uitwerking heeft. Er zijn door diverse uitvinders verbeteringen bedacht, bijvoorbeeld de polywell van Robert Bussard. Hierbij worden magneetvelden gebruikt om de binnenste elektrode te beschermen tegen de ionen.
Overvloedige energie?
Bussard beweerde dat zijn model WB-6, een miljard fusiereacties per seconde produceert (om dit in perspectief te zien: dat is een vermogen van een milliwatt, net genoeg om een rekenmachientje op te laten lopen) en dat de efficiëntie op zou schalen met de zevende macht van de straal. Met andere woorden: met een veel grotere installatie zou hij netto energie kunnen produceren. Echter: ook de kosten van grote installaties rijzen exponentieel de pan uit. Bussard verwacht break-even bij een proefopstelling van driehonderd miljoen dollar. Vandaar dat zijn financiers niet stonden te juichen om Bussards plannen. Het onderzoek gaat door, ook na de dood van Bussard in 2007. Het nieuwste prototype, WB-8, levert volgens claims van onderzoekers ‘duizend maal meer kenreacties op dan BW-7’. Als we aannemen dat WB-7 gelijkwaardig of beter is dan WB-6 en dat Bussards resultaten kloppen, zou dat dus een vermogen rond een watt betekenen. Heeft opschaling inderdaad de gunstige effecten die Bussard veronderstelde, dan zijn onze energieprobleempjes definitief over, want deuterium, de brandstof die bij kernfusie wordt gebruikt, komt veel voor: ongeveer een op elke tienduizend waterstofatomen is deuterium.
Onderzoekers naar de fusie van boor-11 met protonen (waterstofkernen) blijken al die tijd uitgegaan te zijn van een fout model. Het gevolg is dat deze vorm van kernfusie veel kansrijker is dan al die tijd gedacht.
Kernfusie is lastig
Kernfusie is veel lastiger dan kernsplijting, omdat je twee positief geladen deeltjes: de atoomkernen, met elkaar moet laten versmelten. De protonen moeten de atoomkern dan precies met de juiste energie raken. is de energie te laag, dan is de elektrische afstoting nog te hoog. Is de energie juist te hoog, dan kaatsen ze terug. Bij kernsplijting wordt gebruik gemaakt van neutronen, die niet worden afgestoten door de atoomkern. Je hebt dat probleem dan veel minder, alleen voldoende afremmen van neutronen (wat niet erg moeilijk is) is dan voldoende.
Boor-11 kernfusie
Het voordeel van aneutronische fusie (vormen van kernfusie waarbij vrijwel geen neutronen vrijkomen) is dat er veel minder radioactiviteit ontstaat (als neutronen een stabiele atoomkern raken, verandert deze vaak in een instabiele radioactieve kern, het principe van kernsplijting) en dat de deeltjes die vrijkomen elektrisch geladen zijn, dus dat je hun bewegingsenergie rechtstreeks kan aftappen.
Als boor-11 botst met een proton ontstaan drie alfadeeltjes (heliumkernen). Tot nu toe werd gedacht dat slechts één van deze drie heliumkernen een hoge snelheid kreeg. Reactoren werden dus zo gebouwd dat de elektrische energie die dit opleverde, werd afgetapt. De resultaten waren wat minder denderend, de reden dat er op dit moment maar weinig onderzoek wordt gedaan aan fusie met boor en veel onderzoekers deze vorm van fusie afschrijven als hopeloos.
Fout in model leidt tot verkeerd ontwerp reactor
Het fusieproces, in het kort
Geen wonder. Nu blijkt uit onderzoek aan de Amerikaanse Duke Universiteit namelijk dat ze al die tijd uit zijn gegaan van een verkeerd model. Er komen bij de botsing van boor-11 en een proton niet één, zoals vanaf 1986 gedacht, maar twee snelle alfadeeltjes vrij. Als de configuratie van de reactor zo wordt veranderd dat rekening wordt gehouden met dit tweede deeltje, worden de resultaten van kernfusie met boor een stuk gunstiger. De onderzoekers hebben daardoor goede hoop dat via fusie met boor het break-even punt waarbij er meer nuttige energie uit de kernreactie wordt gehaald dan er in wordt gestopt, sneller bereikt wordt.
Opmerkelijk detail: dit was al in 1936 bekend in het Cavendish laboratorium van Rutherford. Latere generaties fysici hebben deze berekening foutief uitgevoerd, waardoor ze aan het verkeerde reactorontwerp kwamen.
Er zijn nog wel wat aanvullende “probleempjes” op te lossen. Zo moet een temperatuur van 1 miljard graden bereikt worden om boor en protonen met elkaar te laten fuseren.
De zon geeft ons aardbewoners 98% van alle energie waarover we kunnen beschikken. En dat al bijna vijf miljard jaar lang. Wat is het proces waarmee de zon die onvoorstelbare hoeveelheden energie opwekt en kunnen we zelf een eigen zon op aarde opwekken?
Kernfusie: de energiebron van de zon
Sterren in de hoofdreeks, zoals onze zon, zijn enorme gasbollen die in hun centrum zo dicht en heet (miljoenen graden en honderden keren zo dicht als water) zijn, dat de atoomkernen van waterstof, protonen, via verschillende tussenstappen samen kunnen smelten tot helium: kernfusie.
Het geheim van de zon: door waterstofkernen samen te smelten tot heliumkernen komt er ongelofelijk veel energie vrij.
Deze hoeveelheid energie is werkelijk gigantisch groot: als je in een gram water (ongeveer een halve vingerhoed) alle waterstofatomen uit het water (H2O, waterstof dioxide) samensmelt tot helium levert dat ongeveer twintigduizend kilowattuur aan energie op: tien jaar stroom voor een huishouden of evenveel als het verbranden van tweeduizend liter benzine (voldoende om de wereld helemaal mee rond te rijden in een gemiddelde auto) oplevert.
Logisch ook: bij het verbranden van benzine hergroepeer je alleen atomen (benzinemoleculen (octaan, benzeen e.d.) en zuurstofmoleculen veranderen in kooldioxide en water), maar de atomen zelf blijven behouden. Bij kernfusie maak je compleet nieuwe atomen die eerst nog niet bestonden (en vernietig je de uitgangsatomen).
Het samensmelten van atoomkernen is echter extreem moeilijk, dit omdat atoomkernen elkaar afstoten. Ze iets te hard op elkaar afschieten betekent dat ze terugkaatsen voor ze hebben kunnen samensmelten, is de snelheid te laag dan komen ze niet eens bij elkaar in de buurt. Reden dat er helaas nog steeds geen kernfusiecentrales zijn. Zouden we het geheim van de zon kunnen kraken en op aarde kernfusie opwekken, dan zou een tijdperk van onovertroffen rijkdom en welvaart aanbreken, want met voldoende energie kan je zelfs materie maken uit het niets. Als dat al nodig is, want je kan alle atomen die je nodig hebt uit de aarde, lucht of desnoods uit zeewater vissen.
Omdat vier waterstofkernen samen iets zwaarder zijn dan één heliumkern, wordt 0,7% van de massa in energie omgezet: de bron van alle zonne-energie. Bij dergelijke hoge temperaturen bestaan er geen atomen meer. In de kern van de zon en andere sterren zwerven elektronen en atoomkernen door elkaar en botsen geregeld met elkaar. Het goedje dat dan ontstaat wordt daarom elektronenvloeistof genoemd.
Waterstofbom of kerncentrale?
In feite is een ster een waterstofbom, die van ontploffen af wordt gehouden door een evenwicht van twee krachten. Aan de ene kant is er de zwaartekracht, die bij een zwaar ding als een ster enorm sterk is en deze wil laten instorten. Aan de andere kant is er de extreme hitte, die het plasma laat uitzetten. Het evenwicht tussen deze twee krachten wordt bepaald door twee energiestromen: aan de ene kant de snelheid waarmee kernfusie plaatsvindt en aan de andere kant de snelheid waarmee energie weglekt als straling.
Hoe groter de ster, hoe groter de dichtheid en hoe sneller de kernfusie. Als gevolg hiervan wordt het heter en zet de kern uit. Daardoor neemt de fusiesnelheid weer af, ook kan energie makkelijker weglekken omdat de kern groter wordt en dus meer oppervlak heeft, waardoor er meer straling weglekt. Een soort natuurlijke zelfregelende kernfusiecentrale dus. Veel mensen vinden daarom dat we niet zo moeilijk hoeven te doen. De zon doet dit werk immers al voor ons. We hoeven alleen maar het zonlicht op te vangen met een zonnepaneel.
Een zon op aarde
Zonnepanelen zijn duur en hebben veel oppervlak nodig.
Kernfusie vindt alleen in de dichte (hier witte) kern plaats. De rest van de zon geleidt de energie naar buiten. Wij zien alleen de zeer dunne fotosfeer.
Gezien de ongelofelijke hoeveelheden energie die kernfusie oplevert is het daarom niet verwonderlijk dat uitvinders likkebaardend aan methoden denken om zelf kernfusie op te wekken. Helaas is het niet eenvoudig een kernfusiereactie op gang te houden. De zon nadoen gaat niet: geen enkel bekend materiaal is bestand tegen veertien miljoen graden hitte. Ook zonachtige drukken liggen nog ver buiten bereik, we bereiken nu met pijn en moeite de druk in de kern van de aarde. Uiteraard zijn uitvinders niet voor één gat te vangen en verzonnen toch allerlei listige methodes om kernfusie toch te laten werken.
De kansrijkste lijkt de in de Sovjet-Unie uitgevonden tokamak te zijn: een donutvormige fusiereactor met een heel dun, extreem heet plasma van deuterium en tritium (waterstof, maar dan met één resp. twee neutronen in de kern extra). Sterke magneetvelden voorkomen dat de geladen plasmadeeltjes ontsnappen. De resultaten zijn nog steeds niet denderend, maar kruipen steeds dichter bij het break-even punt dat er meer elektriciteit uitkomt dan er in wordt gestopt. Zouden tokamaks inderdaad de oplossing vormen voor ons energieprobleem of moeten we een andere methode voor kernfusie verzinnen? Er zijn inderdaad wat slimmere alternatieven bedacht…
