kernfysica

Quark-materie kan mogelijk extreem zware atomen vormen

Volgens de standaard modellen is het ‘eiland van stabiliteit’ voorlopig uitgeput met de ontwikkeling van zwaardere atoomkernen, na de productie van oganesson. Maar mogelijk klopt dat niet, en is er niet een eiland, maar zelfs een heel continent van stabiele atoomkernen. Alleen bestaat deze niet uit protonen en neutronen, maar uit quark-materie, een soort quarksoep van up- en downquarks. Kan dit kloppen?

Energetisch gezien is de meest gunstige combinatie van protonen en neutronen, een ijzer- of nikkelkern. Hoe meer atoomkernen qua aantallen protonen en neutronen afwijken van ijzer of nikkel, hoe meer potentiële energie er vrij kan komen bij kernreacties. Om die reden is de zwaarste stabiele atoomkern (voor zover we weten) lood. Alle atoomkernen zwaarder dan lood vallen na verloop van tijd uit elkaar. De allerzwaarste atoomkernen die we kennen, zoals die van het vermoedelijke edelgas oganesson (atoomnummer 118), leven korter dan een seconde. Maar is dit het gehele verhaal?

Quarks

Er bestaan zes soorten quarks (plus bijbehorende antiquarks), waarvan de lichtste twee, de up- en downquarks, stabiel zijn. Quarks kunnen niet als losse deeltjes bestaan: het uit elkaar trekken van quarks kost zoveel energie dat hieruit spontaan quark-antiquarkparen (mesonen) ontstaan. Quarks vormen in drietallen protonen en neutronen. Twee upquarks plus een downquark vormen een proton, twee downquarks plus een upquark vormen een neutron. In atoomkernen vormen deze clusters van quarks stabiele deeltjes: de protonen en neutronen. Maar wat gebeurt er als de hoeveelheid kerndeeltjes maar blijft toenemen?

Quarksoep als atoomkern

Volgens een nieuwe theorie gaan protonen en neutronen dan degenereren. De ontstane atoomkern bevat geen onderscheiden kerndeeltjes meer, maar  vormt een quarksoep waarin quarks random door elkaar bewegen en voortdurend gluonen uitwisselen. De wis- en natuurkundige Edward Witten voorspelde in 1984 dat er een “strange quark matter” quarksoep zou bestaan die een opmerkelijk laag energieniveau (lees: stabiliteit) zou bezitten. Hierin zouden dan niet alleen up- en downquarks, maar ook strange quarks voorkomen. Ondanks verwoede pogingen van natuurkundigen is dit SQM tot nog toe nooit aangetroffen.
In het artikel van Holdom, Ren en Zhang [1] veronderstellen de auteurs dat er ook een quarksoep bestaat die alleen uit up- en downquarks bestaat. Deze quarksoep, up down quark matter of udQM zou zelfs energetisch gunstiger zijn dan SQM.

Quark-materie bestaat niet meer uit protonen, elektronen en/of neutronen, maar uit een zee van quarks. Bron: Chinese Academie van Wetenschappen, Quark Research Center

Waar zou deze quark-materie kunnen worden aangetroffen?

De kosmos is een tumultueuze plek. Als twee neutronensterren op elkaar crashen, komen er grote hoeveelheden fragmenten vrij. Zo is de aardse goudvoorraad op deze wijze geheel afkomstig van neutronensterren[0]. Ook zwaardere deeltjes dan goudatomen kunnen op deze manier worden gevormd – denk aan uranium.

Men zou verwachten dat er dan ook grote hoeveelheden udQM ontstaan. Als udQM een continent van stabiliteit vormt, moet er nog steeds veel udQM zijn. Tot nu toe is het zwaarste (relatief) stabiele atoom dat in de natuur is aangetroffen het metaal bismuth, met atoomnummer 83. Het bewijs voor zwaardere stabiele elementen dan bismuth is, zachtjes uitgedrukt, niet overweldigend. Als udQM werkelijk bestaat, moet het massaal vrijkomen tijdens deze botsingen. Dus moet het ook in kosmische straling voorkomen – en in normale materie.

Quark-materie in massaspectrograaf?

Een voor de hand liggende methode om dit uit te zoeken is bijvoorbeeld een ijzermeteoriet in plasma te veranderen en het hete plasma door een massaspectrograaf te jagen. Hoe zwakker de lading ten opzichte van de massa van de atoomkern, hoe minder de atoomkern wordt afgebogen. Worden er atoomkernen aangetroffen met een massa van groter dan 300 protonmassa’s, dan hebben we beet. Dit zou uitermate goed nieuws zijn. We kunnen dan door fusie werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden energie opwekken door bijvoorbeeld protonen of kleine atoomkernen te laten absorberen door de quarksoep. Ook kunnen we nieuwe, nu nog onbekende materialen ontwikkelen. Wie weet zelfs femtotechniek, nu nog pure science fiction, mogelijk maken. Tot zover de theorie. Zonder hard observationeel bewijs blijf ik sceptisch. Het is onaannemelijk dat een dergelijke substantie meer dan honderd jaar lang onopgemerkt is gebleven, al zijn verrassingen niet uit te sluiten.

Bestaan

Ren en Zhang hebben ondertussen niet stilgezeten. Ze vonden een nieuw mogelijk domein voor udSM: namelijk het binnenste van zware neutronensterren. In hun model is er een fase-overgang ergens tussen de massa van tussen echte neutronensterren, met een massa lager dan 1,4 zonsmassa’s, en quarksterren, met een massa groter dan 2 zonsmassa’s. [2] De eerste groep bestaat dan uit neutronen, de tweede groep uit up-down quarkmaterie. Uiteraard ligt het ver voorbij onze mogelijkheden nu om het binnenste van neutronensteren waar te nemen, maar we kunnen aan het gedrag van neutronensterren wel het een en ander afleiden. Zo blijken de straal en rotatiesnelheid in neutronensterren soms 20% af te kunnen wijken. Quarkmaterie is een stuk  dichter dan neutronium. De ineenstorting van neutronensterren tot quarksterren zou ze flink laat krimpen. En dus sneller laten rondtollen, vanwege het behoud van draai-moment.

Giant glitches door vorming quark-materie?

Deze faseovergang tussen neutronium en udQM zou de “giant glitches”kunnen verklaren, waarbij neutronensterren plotseling tot bijna 2% sneller gaan draaien. [2] De huidige verklaring, waarbij het iets minder dichte oppervlak van neutronensterren een rol speelt, deugt niet, zoals al door meerdere auteurs vastgesteld [3]. Een fase-overgang, waarbij de neutronenster veel kleiner wordt, geeft dan weer wel een goede verklaring voor de versnelling.

Dit zou inderdaad de kans op het vinden van extreem zware atoomkernen veel groter maken. Want bij dezelfde botsing die goud produceert, zou dan ook quarkmaterie worden gevormd. Gesteld, uiteraard, dat deze materie stabiel blijft buiten een neutronenster. Dat laatste is nog de vraag.

Bronnen:
0. Neutron star mergers may create much of the universe’s gold, Science Magazine, 2018
1. Bob Holdom, Jing Ren en Chen Zhang. “Quark Matter May Not Be Strange.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.222001
2. Jing Ren and Chen Zhang, Quantum nucleation of up-down quark matter and astrophysical implications, Phys. Rev. D 102, 083003, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevD.102.083003
3. T Delsate et al., Giant Pulsar Glitches and the Inertia of Neutron-Star Crusts, Phys.Rev.D 94 (2016) 2, 023008. DOI: 10.1103/PhysRevD.94.023008

 

Transmutatie: hoe kan je een atoom in een ander atoom veranderen?

Naar aanleiding van een persconferentie van Russische onderzoekers in Genève stelden lezers Antares en Razor de vraag: hoe kunnen atomen in andere atomen omgezet worden, m.a.w. transmutatie bereiken? Is er een elegantere manier denkbaar dan de tamelijk vervuilende manier die we nu in kerncentrales en kernwapens toepassen?

Atomen en isotopen
Atomen bestaan uit positief geladen protonen, neutrale neutronen (beide in de kern) en elektronen, die een wolk rondom de kern vormen. Als twee atomen hetzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen hebben in een kern, behoren ze tot hetzelfde chemische element, maar vormen ze verschillende isotopen.
Er komen in de natuur rond de negentig chemische elementen voor en honderden isotopen. De mens heeft ongeveer dertig chemische elementen gecreëerd, zoals bijvoorbeeld technetium, plutonium en meitnerium. Het gaat hier zonder uitzondering om vrij kortlevende, zeer radioactieve elementen.
Bij een elektrisch neutraal atoom zijn er evenveel protonen als elektronen. De chemische eigenschappen van atomen worden vrijwel geheel bepaald door het aantal elektronen. Vrijwel, want er zijn kleine verschillen in reactiviteit tussen bijvoorbeeld de waterstofisotopen deuterium en protium.

Alchemisten geloofden dat ze atomen in andere atomen konden omzetten met alchemie. Nu weten we dat dit alleen met de energieniveaus in bliksems of kernreacties mogelijk is.

Hoe kunnen we zelf atomen maken?
Kerncentrale
Atomen bestaan, zoals gezegd,  uit protonen, neutronen en elektronen. Breng het juiste aantal protonen en neutronen bij elkaar en maak het ontstane atoom neutraal met elektronen, en je hebt in principe je atoom. Althans: in theorie. In de praktijk is het voor ons zeer moeilijk om bijvoorbeeld lood in goud te veranderen.

In een kerncentrale ontstaan uit uranium andere elementen, maar wij kunnen dit proces niet precies sturen omdat kwantumprocessen niet exact voorspelbaar zijn. Wel is bekend in welke proporties de nieuwe elementen en isotopen voorkomen. Zo zit er in standaard kernafval per ton zo’n 1,9 kg ruthenium, 13,3 kg rhodium en 1 kg palladium. Rhodium en palladium zijn per kilogram kostbaarder dan goud, ruthenium, een onmisbare katalysator, zit op ongeveer 1,20 euro per gram. In principe maakt dit kernafval een waardevolle bron van kostbare metalen. De hoge radioactiviteit maakt zuivering een uitermate kostbaar proces, de reden dat het nog nauwelijks gebeurt.
Het is dan wel weer mogelijk de kernreactie zo te sturen dat het percentage gewenste elementen en isotopen zo hoog mogelijk is. Dit gebeurt bijvoorbeeld om plutonium te maken voor atoombommen of, een zinnige toepassing, medische isotopen of isotopen voor de ruimtevaart.

Kernfusie
De rond de dertig door de mens gecreëerde nieuwe elementen zijn bijna zonder uitzondering ontstaan door de fusie van lichtere elementen. Door bijvoorbeeld een uranium-238 kern met neon-22 te laten fuseren, levert dit het nieuwe element nobelium op. De zon ontleent zijn energie aan de fusie van waterstof tot helium.

Gammastraling
Al langer is bekend dat gammastraling een belangrijke rol speelt in supernova’s bij het ontstaan van bepaalde isotopen, de zogenoemde fotodisintegratie. De kernfysici Hiroyasu Ejiri en S. Date zijn er in 2011 in geslaagd om met behulp van gammastraling een niet-radioactieve isotoop in een radioactieve isotoop om te zetten (Tor browser link). Dit werkt ongeveer als volgt. Door aan een bepaalde atoomkern een precieze hoeveelheid energie toe te voeren, in de vorm van een foton gammastraling, komt er voldoende vrij voor een kwantumovergang waardoor bijvoorbeeld een neutron in een proton verandert. Dit werkt maar bij een paar procent van alle atoomkernen, maar in principe is uiteraard de toevoer van gammastraling onbeperkt, waardoor uiteindelijk alle atomen kunnen worden omgezet.

Koude kernfusie
Er doen in alternatieve kringen hardnekkige geruchten de ronde dat het mogelijk is om bij lage temperaturen kernfusie te bereiken, de zogenoemde LENR of low-energy nuclear fusion. Door bijvoorbeeld protonen te laten fuseren met een middelzware atoomkern zoals ijzer, zou er netto een behoorlijke hoeveelheid energie vrijkomen (de bindingsenergie per nucleon van de nieuwe, zwaardere kern is ongeveer gelijk aan die van ijzer. Die van een los proton is nul, waardoor er netto energie vrijkomt). Middelzware atoomkernen hebben een veel breder vang-energiespectrum en nucleaire doorsnede dan bijvoorbeeld  een kleine deuteriumkern. Hiermee zijn ze veel gemakkelijker te raken dan deze: het energiespectrum van protonen kan in principe veel breder zijn. Daarom is het bijvoorbeeld veel gemakkelijker om boor te laten fuseren dan waterstof.

Wel blijft het centrale probleem. De afstoting tussen twee positief geladen atoomkernen is zeer sterk. Deze afstoting moet overwonnen worden, wat zeer lastig is bij lage temperaturen. De enige vorm van koude kernfusie die aantoonbaar werkt, is muon-gekatalyseerde fusie. Muonen zijn een instabiele, zwaardere variant van elektronen en bevinden zich door hun hoge massa veel dichter bij de atoomkern dan elektronen, waardoor ‘muon-atomen’ honderden malen kleiner zijn en fusie gemakkelijker is.  Helaas is het produceren van voldoende muonen dat bepaald niet – muonen leven namelijk zeer kort, 2,2 miljoenste seconde.

De koude-kernfusie onderzoeksgemeenschap probeert na de fail van Fleischmann en Pons al sinds de jaren tachtig – onder grote persoonlijke opofferingen – dit doel te bereiken. Koude kernfusie zou, als het werkt, onze energieproblemen oplossen, in principe geen radioactief afval opleveren en het ook mogelijk maken nieuwe elementen te produceren. De mainstream wetenschap reageert met uitstoting, dit terwijl er bij LENR naast de nodige oplichters, ook honderden bona fide onderzoekers betrokken zijn die de wetenschappelijke methode nauwgezet en integer volgen. Hoewel er nog steeds geen harde bewijzen zijn voor LENR, bijvoorbeeld een pocket kerncentrale voor in je laptop, is het in principe een legitiem onderzoeksdoel, dat nagestreefd kan worden door middel van bona fide wetenschappelijk onderzoek.

Pseudomaterie
We zeiden het al: wat atomen hun chemische eigenschappen geeft is het aantal van hun elektronen. In natuurlijke atomen worden elektronen op hun plek gehouden door de positief geladen atoomkern. Je zou elektronen ook kunnen vasthouden in een quantum corral, een kwantumheining. Ze vormen dan ook dezelfde energieniveaus en kunnen ook chemische bindingen aan gaan. Voordeel aan deze programmeerbare materie is ook dat het ene atoom eenvoudig in het andere is om te zetten. De natte droom van veel chemici. Wel is het technisch uitdagend om dit te implementeren.

“Biochemische methode”
Een groep Russische onderzoekers beweert nu dat ze in staat zijn om elementen te transmuteren door gestimuleerde emissie van alfadeeltjes (heliumkernen). De aanleiding tot deze Lezersvraag. Kloppen de claims in deze video?

https://youtu.be/YG8XJVPmMrU

We hebben de bron er bij gezocht. Het gaat om een groep, die claimt dat ze een biochemische methode hebben ontwikkeld om elementen te transmuteren. Dit is in principe complete onzin en wel hierom. Chemische reacties hebben betrekking op elektronen, niet op protonen en neutronen. De energieniveaus bij kernreacties liggen drie ordes van grootte (duizenden malen) hoger dan bij zelfs de meest energetische chemische reacties. Om een proton in de buurt te krijgen van een ijzerkern is een energie van meer dan 2 MeV nodig. Dit vereist dat je tientallen ouderwetse beeldbuizen achter elkaar zet (of een spectaculair vonkencircus met 2 tot 3 miljoen volt). Dit is maar één orde van grootte minder dan de hoogste spanning ooit geproduceerd door de mens, 32 miljoen volt. Alleen bliksemschichten kunnen in de natuur deze enorme voltages opwekken en inderdaad, bliksemschichten produceren neutronen, wat wijst op kernreacties tijdens onweer.

Als ik een dergelijke methode kende en, zoals deze mensen, stinkend rijk wilde worden, zou ik mijn mond dichthouden en flink wat kilootjes kostbare metalen produceren en verkopen. Of voor tienduizenden put opties op goudaandelen kopen en dan de technologie openbaar maken. Kortom: deze claim kan je maar beter totaal niet serieus nemen, totdat de twee heren en dame met keihard, repliceerbaar experimenteel bewijs komen.

Met neutronen een parallel universum detecteren

Volgens meerdere kwantuminterpretaties en de snaartheorie bestaan er naast ons knusse universum meerdere parallelle universa. Ons heelal lijkt de sporen te tonen van de botsing met iets, zelfs voor astronomische begrippen, enorms. Nu komen Belgische natuurkundigen met een bruikbare methode om uit te vinden of er een parallel universum is naast dat van ons. En nog beter, een manier om naar een parallelle wereld te reizen…

De perfecte bankroof
Stel, je zou van dit heelal naar een parallel heelal kunnen reizen en weer terug. Dan zou je vrij gemakkelijk goudstaven kunnen roven uit de kluis van de Nederlandsche Bank. Eerst stap je in huis in een ruimtepak, want in een parallel universum is de kans aanwezig dat je in het luchtledig terecht komt. Immers, het universum, dus ook een parallel universum, waar de natuurwetten op die van ons lijken, bestaat vrijwel geheel uit leegte. Dan gebruik je je apparaat, gaat met je stuwraketjes naar de locatie waar de goudstaven liggen in dit heelal en keert terug. Je vult je grote plunjezak met vele kilo’s goud en volgt dezelfde route. Terwijl jij gniffelend je buit telt en toekomstplannen maakt, komt er een ingelast extra journaal op TV.

Ander heelal
Volgens sommige theorieën kunnen deeltjes uit andere universa naar dit universum reizen en andersom. Dit kan als twee zogeheten 3-branen, de term in de snaartheorie voor driedimensionale parallelle universa, elkaar dicht genoeg naderen. Volgens sommige varianten van deze theorie bestaan deeltjes in meerdere branen tegelijkertijd: een vorm van superpositie.

De proefopstelling, zoals voorgesteld door Sarrazin en zijn collega’s

Botst één van deze deeltjes, bijvoorbeeld een neutron, met een ander deeltje, dan verdwijnt deze superpositie en “kiest” het deeltje tussen één van de universa waarin het voorkomt. Op dit manier kunnen neutronen van het ene 3-braan naar het andere lekken, aldus de onbewezen theorie althans. Stel, één van deze neutronen reist in het parallelle universum verder en wipt door een ander proces terug naar dit universum. Dan zullen barrières in dit universum, zoals de mantel rond een kernreactor, de neutronen niet tegenhouden en zullen sommige van deze neutronen toch gedetecteerd kunnen worden.

Geen afwijkingen
We zien in het dagelijks leven nooit deeltjes uit het niets verschijnen of verdwijnen. Deze lekkage komt dus vrijwel nooit, tot nooit voor. Vinden we neutronen die wél in staat zijn om van de ene braan naar de andere te springen, dan hebben we een doorslaggevend bewijs voor het bestaan voor een heelal naast het onze.

De voornaamste technische uitdaging is uiteraard hoe we neutronen uit ons universum kunnen onderscheiden van neutronen uit een parallel universum. Sarrazin en zijn collega’s willen dit bereiken door een kernreactor waaruit grote hoeveelheden neutronen vrijkomen, zelf denken ze aan de zeer krachtige neutronenleverende reactor van Institute Laue Langevin (ILL) in het Franse Grenoble, goed af te schermen en hier in de buurt een neutronendetector te plaatsen. Langzame, “thermische”, neutronen worden weggevangen door een mantel met een boorrijke verbinding rond de detector te plaatsen. Neutronen die ze waarnemen, moeten dus binnen de detector zijn opgedoken. Een tweede methode is, het vergelijken van de hoeveelheid waargenomen neutronen als functie van de afstand van de kernreactor. Staat de detector twee keer zo ver weg, dan zou het aantal waargenomen neutronen moeten dalen tot een kwart. Een derde methode is het meten van seizoenseffecten. Volgens de braantheorie waar Sarrazin c.s. in geloven, leidt een veranderend zwaartekrachtsveld tot meer of juist minder braaninteractie. De baan van de aarde om de zon is een ellips, waardoor er een lichte verandering in de zwaartekracht optreedt in de loop van het jaar. Dit zou dus een seizoenseffect op moeten leveren.

Door een muur schijnen
Dit effect zou ook met andere deeltjes, zoals fotonen kunnen optreden. Eerdere soortgelijke experimenten, waarbij met een sterke laser op een muur werd geschenen, leverden echter niets op. Het aantal deeltjes in een laser is vele ordes van grootte groter dan de neutronenflux uit een kernreactor. Onze apparatuur om fotonen te meten is ook veel gevoeliger, vrijwel 100% van alle fotonen wordt gedetecteerd. Als een foton uit de laserstraal de binnendoorgang via een parallel braan had genomen, hadden deze onderzoekers dit gemeten. Of dit iets gaat opleveren is dan ook de vraag.
Aan de andere kant zijn de gevolgen van het ontdekken van een parallel universum waar we heen kunnen reizen, enorm. Mogelijk zelfs de grootste ontdekking ooit in de geschiedenis van de mensheid. Als onderzoeksonderwerp dus zeker meer dan de moeite waard.

Bron
Probing braneworld hypothesis with a neutron-shining-through-a-wall experiment, ArXiv preprint server, 2015

De kleinste ster

Er bestaan sterren die vijftig keer zo groot zijn als de zon. Nog grotere sterren ontploffen vrijwel direct nadat ze zich vormen. Kleinere sterren dan ze zon bestaan ook, meer dan tachtig procent van alle sterren is in feite een rode dwergster. Maar hoe klein is de kleinst denkbare ster?

In dit filmpje zie je een afbeelding van een splijtingsreactie in plaats van kernfusie, een fout. Bij kernfusie smelten juist kleine atoomkernen samen tot grotere, waarbij energie vrijkomt.

Inderdaad is het uitermate moeilijk om kleinere opgloeiende sterren dan plm. 7,5% zonsmassa te creëren. Jupiter, bijvoorbeeld, is niet zwaar genoeg om proton-proton kernfusie plaats te laten vinden, al vindt vermoedelijk in de kern enige deuteriumfusie plaats. Verwacht dus niet op korte termijn je eigen milieuvriendelijke privé-sterretje om in je open haard op te hangen, tenzij ze opschieten met compacte fusiereactoren.

De kleinst denkbare lichtgevende ster met kenfusie, is in diameter ongeveer twee keer zo groot als Jupiter.

‘Kernfusie over vijf jaar realiteit’

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.

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

‘Fusiestroom goedkoper dan steenkoolcentrale met revolutionair reactorontwerp’

Miljardenverslindende tokamaks, stellarators, Z-pinches en dergelijke, al deze monsterlijke machines wedijveren om de eerste technologie te worden die meer nuttige energie haalt uit kernfusie dan er in gestopt wordt. Kernfusie is big science, hobby-fusor enthousiastelingen daargelaten. Onzin, zeggen hoogleraar Jarboe en zijn student, ex-MIT’er Derek Sutherland van de universiteit van Washington. Met een verbluffend simpele vondst maakt hun dynomak een groot deel van een logge tokamak overbodig om een ultrasterk magneetveld op te wekken.  Gaat dit werken?

Werkcollege
Jarboe en Sutherland bleven na een werkcollege nog even verder stoeien over de stof[2] en kwamen toen op het concept van de dynomak. Nu hebben ze een prototype gebouwd dat in staat is het plasma in de plasmaring voldoende lang op de voor kernfusie vereiste miljoenen graden te houden. Volgens hun schatting[1] is de dynomak voor ongeveer van een tiende van de kosten van een vergelijkbaar grote tokamak te bouwen en levert deze vijf keer zoveel energie. De bouwkosten zouden zelfs marginaal onder die van een kolencentrale met hetzelfde vermogen liggen.

Het prototype HIT-SI3van de dynomak. Zou dit toestel, tien maal groter, het wereldenergieprobleem op kunnen lossen? bron: UW

Hoe werkt de dynomak?
De dynomak is een soort spheromak. Een spheromak kent net als een tokamak, zie toelichting, een donut van zeer heet plasma. Anders dan bij een tokamak worden de elektrische stromen in een spheromak opgewekt binnen het gloeiendhete plasma. Een bekend elektromagnetisch effect is dat elektrische stromen de neiging hebben samen te trekken. Waar bij een tokamak krachtige supergekoelde magneten de plasmaring in toom houden, trekt bij de dynomak de opgewekte stroom het plasma naar binnen. Het magnetische veld hoeft niet meer extern opgewekt te worden, wat de constructie veel lichter, simpeler en dus goedkoper maakt dan een tokamak. Door de kernfusie in de plasmaring blijft deze op temperatuur en komt er warmte vrij, die weer wordt gebruikt om, net als in een gas- of kolencentrale, water te verdampen dat een turbine aandrijft.

In theorie klinkt dit mooi, maar de technische realisatie bij eerdere spheromaks was zo lastig dat tokamaks populairder werden.

Het technische probleem bij kernfusie
In theorie is kernfusie een zeer overvloedige energiebron: een  kilogram fusiebrandstof, zoals bijvoorbeeld het deuterium in zeewater, bevat evenveel energie als miljoenen liters fossiele brandstof. Kernfusie ontstaat, als twee lichte atoomkernen samensmelten om een zwaardere kern te vormen, bijvoorbeeld twee waterstof-2 kernen om een helium-4 kern te vormen. Hiervoor moeten deze kernen elkaar precies raken met de juiste energie, doorgaans enkele MeV.

Het grootste technische probleem is dat beide kernen positief geladen zijn en tot overmaat van ramp maar weinig “kleverig”. (Dat heeft te maken met het relatief kleine verschil tussen de sterkte van de sterke kernkracht en de elektromagnetische kracht). Is de snelheid ook maar iets te hoog, dan ketsen de kernen af zonder te fuseren; bij een te lage snelheid is er onvoldoende energie om de afstoting te overwinnen en ketsen ze af, waarbij de deeltjes hun moeizaam met hoogwaardige elektriciteit toegevoerde energie uitstralen als waardeloze, zelfs gevaarlijke bremsstrahlung, die uit röntgenstraling bestaat.

Tokamak als kunstzon en andere alternatieven
De dichtstbijzijnde werkende kernfusiecentrale is een grote gloeiende gasbol op zo’n slordige 150  miljoen kilometer afstand, beter bekend als de zon. De zon geeft licht, omdat in de kern van de zon de waterstof zeer heet is, rond de 14 miljoen graden en door de enorme massa van de zon ook zeer dicht opeengepakt zit, rond de 150 kilogram per liter. Hierdoor vinden er voldoende botsingen plaats voor een gestage fusie. Op aarde hebben wij uiteraard niet de apparatuur om deze drukken en temperaturen op te wekken, tenzij kortstondig in een atoombom, wat, zo kunnen de overlevenden in Hiroshima en Nagasaki u verzekeren, geen prettige ervaring is om mee te maken.

Vandaar dat uitvinders alternatieve strategieën hebben bedacht. De voornaamste zijn ten eerste de tokamak, waarbij atoomkernen met zeer hoge temperatuur (dus snelheid) opgesloten zijn in een soort magnetische donut. Relatief succesvol, de reden dat er door de  grootmachten 25 miljard euro in ITER is gestopt, maar helaas zijn om deze deeltjes op te sluiten extreem krachtige magneetvelden nodig, die alleen met reusachtige heliumgekoelde supergeleidende magneten op zijn te wekken. Superheet plasma in combinatie met materiaal op het absolute nulpunt is uiteraard een forse technische uitdaging. Een variant op de tokamak is de stellarator, een monsterlijk verwrongen tokamakachtig ding dat niet erg succesvol bleek. Een andere techniek is kortstondig fusiebrandstof samen te persen met een extreem sterke laserpuls. Gedurende een kleine fractie van een seconde overtreft de (ook miljarden kostende) Z-machine, de succesvolste Z-pinch, met een petawatt met factor 60 het elektrische vermogen van de gehele aardbol.  Er komt vele malen meer energie vrij dan er ingestopt is, zou blijken uit een dry-run simulatie. Of dit ook in de praktijk klopt moeten we, alle juichverhalen terzijde, uiteraard afwachten.

Bronnen
1. D.A. Sutherland, T.R. Jarboe, K.D. Morgan, M. Pfaff, E.S. Lavine, Y. Kamikawa, M. Hughes, P. Andrist, G. Marklin, B.A. Nelson. The dynomak: An advanced spheromak reactor concept with imposed-dynamo current drive and next-generation nuclear power technologies. Fusion Engineering and Design, 2014; 89 (4): 412 DOI: 10.1016/j.fusengdes.2014.03.072
2. UW fusion reactor concept could be cheaper than coal, Washington University News, 2014

Het thoriumcomplot

Topnatuurkundigen als Ed Oppenheimer deden hun best om de Amerikaanse overheid over te halen over te stappen op een schone, overvloedige energiebron: thorium. Hadden de VS en de overige ontwikkelde landen dat gedaan, dan was de CO2-uitstoot een fractie geweest van nu en waren er waarschijnlijk veel eerder dan nu elektrische auto’s geweest.

Kortom: het oliegeld was niet omgezet in wapens, salafistisch extremisme en terrorisme, zoals nu, maar had gebruikt kunnen worden om de hele wereldbevolking te voorzien van goedkope en overvloedige energie. Ook waren de eerste babies al geboren op Mars, omdat atoomraketten veel gemakkelijker de aarde kunnen verlaten dan chemische raketten.
Thorium heeft echter één cruciaal nadeel. Je kan er geen atoomwapens mee maken. Dit deed de thoriumtechnologie de das om.

Voorbij Element 118…

De afgelopen maanden zijn door medevisionair Douwe alle atoomelementen behandeld, vanaf het allerlichtste element, waterstof, tot het zeer instabiele ununoctium, dat slechts fracties van seconden bestaat. Is het in theorie mogelijk dat er nóg zwaardere atoomelementen bestaan?

Eiland van stabiliteit

Twee tegengestelde natuurkrachten
Atoomkernen bestaan uit positief geladen protonen en ongeladen neutronen. Atoomkernen zoals wij die kennen, met uitzondering van de kern van waterstof-1 die uit slechts één deeltje bestaat, zijn het resultaat van twee natuurkrachten: een restje van de sterke kernkracht, die uit protonen en neutronen ‘lekt’ en deze kerndeeltjes uit elkaar houdt, en de elektromagnetische kracht, die protonen elkaar laat afstoten. De derde natuurkracht is de zwakke kernkracht, die maakt dat neutronen uiteenvallen in protonen en elektronen. In een atoomkern  met relatief veel neutronen  is het energiegunstiger voor een neutron om uiteen te vallen, dan om intact te blijven. Er hoeven immers minder protonen “opzij te worden geduwd” door het nieuwe proton.

Maximum grootte aan atoomkernen?
Omdat de hoeveelheid “lijm” per kerndeeltje gelijk blijft, maar de elektrische lading steeds meer toeneemt naarmate er meer kerndeeltjes zijn, is er een maximale grootte aan atoomkernen. Deze wordt bereikt op het punt waarbij de “lijm” niet meer in staat is de protonen bij elkaar te houden. Dit punt wordt bereikt voorbij lood. Alle atoomkernen van elementen zwaarder dan lood vallen spontaan uit elkaar. Deze tijd varieert van vele miljarden jaren, bij bismut, tot fracties van miljoensten van seconden, zoals de nieuw ontdekte elementen die de afgelopen weken aan de orde kwamen. Over het algemeen zijn zwaardere elementen radioactiever dan lichte, hoewel er enkel uitzonderingen bestaan. Zo ligt het radioactieve technetium tussen stabiele elementen in.

Bestaat er een eiland van stabiliteit?
Volgens sommige kernfysici moet er ergens hoog in het periodieke systeem, verborgen voor ons, een soort “eiland van stabiliteit” bestaan waarin zich, relatief, stabiele atoomkernen kunnen vormen. Zin of onzin? Feit is wel dat de tot nu toe ontdekte zwaarste isotopen van deze elementen ook de langstlevende isotopen zijn. het is dus waarschijnlijk dat er nog zwaardere isotopen bestaan met een veel langee levensduur. Zitten we het “eiland van stabiliteit” op de hielen? Veel insiders denken van wel…

Lees ook:
Geheimzinnig eiland van stabiliteit steeds dichter genaderd

De vier natuurkrachten: Sterke kernkracht

Alle natuurverschijnselen die we waar kunnen nemen worden veroorzaakt door vier (of misschien maar twee) krachten: de sterke kernkracht, de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de zwaartekracht. In dit begin van een nieuwe, korte, wekelijkse serie de sterkste natuurkracht die de moderne natuurkunde kent: de sterke kernkracht.

Welke rol spelt de sterke kernkracht?
Ondanks de vele positief geladen protonen in de atoomkern, blijven atoomkernen toch bij elkaar. Er moet een soort ‘lijm’ zijn die de kerndeeltjes bij elkaar houdt. Deze ‘lijm’ is de sterke kernkracht, althans: het overblijfsel van de sterke kernkracht die de drie quarks in protonen en neutronen bij elkaar houdt. Deze rest-aantrekking wordt Yukawa-potentiaal genoemd naar de ontdekker van de sterke kernkracht, de Japanse fysicus Hideki Yukawa. De sterke kernkracht zelf is twee ordes van grootte (rond de honderd keer) sterker dan de in sterkte daarna volgende kracht, de elektromagnetische kracht.

Animatie van de werking van de sterke kernkracht. Bron: Wikimedia Commons.

Wat is de sterke kernkracht?
De sterke kernkracht berust op de uitwisseling van ‘kleur’ tussen quarks. Zo kan een ‘rode’ quark in een ‘groene’ quark veranderen door de absorptie van een ‘antirood-groen’ gluon. Uiteraard hebben deze ‘kleuren’ hlemaal niets te maken met werkelijek kleuren, maar hun eigenschap dat ‘rood’ plus ‘groen’ plus ‘blauw’ kleurneutraliteit oplevert, komt wel overeen met die van werkelijke kleuren. Zo zit er in elk proton en neutron een ‘rode’, ‘groene’ en ‘blauwe’ quark.

Hoe gedraagt de sterke kernkracht zich?
De sterke kernkracht heeft de opmerkelijke eigenschap niet zwakker, maar extreem veel sterker te worden bij grotere afstand. Dit effect houdt de quarks in protonen en neutronen bij elkaar. Worden twee quarks verder uit elkaar getrokken, dan wordt het krachtveld zo energierijk dat uit het niets een quark-antiquark paar wordt geschapen, dat paren vormen met de twee oorspronkelijke quarks. Dit is te vergelijken met een stuk elastiek dat niet breekt, maar in twee stukken elastiek verandert als het uit elkaar getrokken wordt. Dit verschijnsel maakt het extreem moeilijk om individuele quarks aan te tonen.

Omdat de Yukawa-potentiaal een resteffect is, gedraagt deze zich anders dan je zou verwachten bij een normale, met de afstand minder wordende kracht. Netto hebben de twee kluwens quarks die we kennen als protonen en neutronen een aantrekkend effect op elkaar (de reden is dat ze elkaars onvolkomenheden uitbalanceren), een effect wat veel weg heeft van de Van der Waals kracht tussen elektrisch ongelijkmatig geladen atomen of moleculen. Dit effect is echter niet cumulatief. Naarmate atoomkernen zwaarder worden, is op een gegeven moment  de elektrische afstoting tussen de protonen zo sterk, dat het Yukawa-effect niet meer voldoende is om de afstoting op te heffen. De atoomkern wordt dan radioactief: het is dan een kwestie van tijd voor deze spontaan uit elkaar valt. Vroeger werd gedacht dat het element bismut het zwaarste stabiele chemische element was, maar nu is ontdekt dat ook bismut (zeer zwak) radioactief is. Lood wordt hiermee het  (voor zover bekend) stabielste chemische element.

Video: wat is een Higgs boson?

Door de een wordt het Higgs boson het God-deeltje genoemd. Anderen, waaronder ikzelf, vinden het een gekunsteld gedrocht.

Maar wat is het Higgsdeeltje, en het veld waarmee het is geassocieerd, het Higgsveld, precies? In onderstaande Engelstalige video van Fermilab een stoomcursus Higgsdeeltje in drie minuten.

Bestaat het Higgsdeeltje of niet? De spanning loopt op, nu het laatste gat waar het Higgsdeeltje zich nog kon verschuilen steeds meer wordt gesloten. Volgens natuurkundigen in het CERN en hun collega’s van Fermilab zijn er aanwijzingen opgedoken. Dat is al vaker geroepen, wel is er erg toevallig dat bij beide labs tegelijkertijd deze aanwijzingen opduiken. De spanning stijgt dus ten top in het natuurkundige wereldje.

Dutch