‘Fusiestroom goedkoper dan steenkoolcentrale met revolutionair reactorontwerp’

Share Button

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 van de dynamak. Zou dit toestel het wereldenergieprobleem op kunnen lossen?  bron: UW

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

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

3 reacties

  1. Bemoeier schreef:

    Op Faqt staat een artikel over kunstmatige fotosynthese, misschien wordt dat wel de toekomst.

  2. H2 AlO5 schreef:

    Wat n onzin. Kernfusie is enkel in explosies te bereiken die naast hoge temperatuur de bij behorend hoge druk kunnen opwekken. Als gecontroleerd duurzame energiebron kun je t vergeten.

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger