‘Koude kernfusie toch mogelijk’

Drie natuurkundige effecten kunnen, als ze goed op elkaar afgestemd zijn, koude kernfusie net haalbaar maken, blijkt uit nieuw onderzoek. Spoiler alert: dat vereist wel behoorlijk wat prutswerk.

Waarom kernfusie zo lastig is

Atoomkernen bestaan uit positief geladen deeltjes, protonen, en neutrale deeltjes, neutronen. Protonen stoten elkaar af, maar de neutronen ‘lijmen’ de protonen aan elkaar door een restje van de sterke kernkracht (de rest van de sterke kernkracht houdt de drie quarks in protonen en neutronen bij elkaar). Zonder protonen zouden de neutronen uit elkaar vallen in protonen en elektronen, omdat dat energetisch gunstiger is (een proton plus elektron is lichter dan een neutron). Maar met een proton in de buurt, kost het veel energie om een nieuw proton te laten ontstaan, want het nieuwe proton wordt afgestoten door de andere protonen. Meer, dan er vrijkomt bij het uit elkaar vallen. Dus blijft het neutron wat het is en de atoomkern stabiel.

Deze afstoting is precies de reden dat kernfusie zo lastig is. De protonen in twee positief geladen atoomkernen stoten elkaar namelijk ook af. De atoomkernen moeten elkaar met niet alleen de juiste snelheid, maar ook überhaupt treffen. Een atoomkern is zo’n 100.000 maal kleiner dan het atoom. In sterren als de zon vindt kernfusie plaats, omdat ze zeer dicht en extreem heet zijn. Daardoor vinden er zoveel botsingen per seconde plaats, dat er voldoende slagen om het fusieproces op gang te houden.

Physicists Say They Know How Cold Fusion Works

Koude kernfusie bestaat al, maar is veel te inefficiënt

Het is al gelukt om kernfusie te bereiken bij kamertemperatuur, en wel door deuteriumkernen te versnellen tot ze voldoende energie hebben om de afstoting te overwinnen. Deuterium is waterstof, maar dan met een extra neutron in de kern. Maar dit kost vele malen meer energie dan het oplevert. Om precies te zijn, een getal met tientallen nullen meer. De beste fusor bijvoorbeeld, een apparaat dat je voor onder de duizend euro in je schuurtje in elkaar kan zetten, haalt nog geen miljardste deel. Om energie uit koude kernfusie mogelijk te maken, moet deze verhouding hoger dan 1, in de praktijk hoger dan 10 zijn. Een hele weg te gaan dus. Op dit moment is het apparaat alleen nuttig als neutronenbron.

Een zelfgemaakte fusor. Het eenvoudige ontwerp en lage kosten, maken deze fusiereactor erg populair onder hobbyisten. Bron Wikipedia

Combinatie van drie effecten

Een groep onderzoekers denkt, dat het in principe toch haalbaar is, omdat er kernfusieproducten zijn aangetroffen in met deuterium verzadigde metalen. Hiervoor pleiten ze voor de volgende strategie. Ten eerste moet het materiaal, denk dat aan een metaal als palladium, werkelijk tjokvol met deuterium zitten. Dit kan door een hoge druk. Ook kunnen de atoomkernen dichter bij elkaar komen omdat er vrij rondbewegende elektronen – palladium is een metaal – zich tussen de atoomkernen in wurmen. Daardoor wordt de afstoting minder.

Dan is er nog een derde domein: kwantumeffecten, in het bijzonder kwantumtunneling en kernresonanties. Hierdoor kunnen atoomkernen zich ondanks de Coulomb barrière dichter bij elkaar bevinden, waardoor er toch kernfusie kan plaatsvinden. De auteurs denken dat hierdoor het – in principe – toch mogelijk is om uit koude kernfusie energie te halen. Als deze processen maar worden geoptimaliseerd. En dat laatste is natuurlijk een heel grote ‘als’.

Voordeel is dan wel dat deze experimenten heel wat minder kosten dan, zeg, een ITER van een slordige 25 miljard. Als koude kernfusie werkt, kan XR een ander nobel doel zoeken om schilderijen voor te bekladden. Want dan zou iedereen zijn eigen kleine fusiecentrale thuis kunnen neerzetten.

Bron

Florian Metzler et al., Known mechanisms that increase nuclear fusion rates in the solid state https://doi.org/10.1088/1367-2630/ad091c

2 reacties

  1. De weg naar commercieel haalbare kernfusie kent nog aanzienlijke obstakels die eerst overwonnen moeten worden.
    Een van de grootste uitdagingen is het langdurig in stand houden van het fusieproces. Het ITER-project streeft ernaar om een plasma gedurende 10 minuten brandend te houden met een efficiëntie-factor van 10. Dit betekent dat er 10 keer zoveel energie wordt geproduceerd als er in eerste instantie wordt toegevoegd. Voor commerciële toepassingen moet deze factor echter naar 40, en moet het proces urenlang kunnen doorgaan.
    Ook het beheersen van de extreme hitte die vrijkomt bij het fusieproces vormt een grote technische uitdaging. De materialen die hiervoor gebruikt worden, moeten bestand zijn tegen intensieve neutronenstraling zonder hun structurele eigenschappen te verliezen of te radioactief te worden.
    Een ander cruciaal aspect is de productie van tritium, een essentiële brandstof voor het fusieproces. Deze stof komt in de natuur nauwelijks voor en moet tijdens het proces zelf geproduceerd worden, in grotere hoeveelheden dan er verbruikt wordt.

Geef een reactie