Kernfusie

TERUGHome.html
Kernfusie

Kernfusie

Al vele jaren wordt de bij de splijting van zware atoomkernen (van bijv. uranium) vrijkomende energie in kerncentrales gebruikt voor elektriciteitsopwekking. Daarnaast bestaat ook de mogelijkheid om energie vrij te maken door de versmelting (fusie) van de lichtste elementen. Dergelijke fusies kunnen bijv. tot stand komen als in een gasmengsel van deuterium en tritium (waterstofisotopen met de twee- resp. drievoudige massa van gewone waterstof, aangeduid met 2H en 3H [ soms ook als resp. D én T ]) atoomkernen met voldoende grote relatieve snelheid, tegen elkaar botsen. De elektrostatische afstotingskrachten van de positief geladen kernen kunnen hier door worden overwonnen en er treedt een versmelting van de kernen op (fig. 1), die gepaard gaat met de afstoting van kerndeeltjes welke met grote kinetische energie worden weggeslingerd. De voornaamste reacties die in een deuterium-tritiummengsel kunnen verlopen zijn (fig. 2):

Fig. 1: Potentiaalverloop bij de wisselwerking van geladen kernen (deuteronen)

2H + 2H → 3He + n + 3,25 MeV

2H + 2H → 3H + p + 4 MeV

3He + 3H → 3He + p + 18,3 MeV

2H + 3H → 4He + n + 17,6 Mev

Fig. 2: Schema van de voornaamste kernfusieprocessen in een deuterium-tritiummengsel

Hierbij stelt 2H een deuteriumkern (deuteron) voor, 3H een tritiumkern (triton), 3He en 4He zijn heliumkernen met atoomgetal (atoomnummer) 3 resp. 4, p is een proton en n is een neutron. De vrijkomende energie is in megaelektronvolt opgegeven (1 MeV = 4,45 · 10-20 kWh). Behalve op deze wijze kunnen lichte kernen nog op allerlei andere manieren versmelten. In de zon en in andere sterren komen naast de fusie van waterstofkernen ook gecompliceerde fusies voor, waaraan wordt deelgenomen door zware atoomkernen. Dit is de bron van de enorme hoeveelheden energie welke de sterren zonder onderbreking in de ruimte stralen, en ook de vernietigende werking van de waterstofbom berust op de energie die bij dergelijke kernfusies vrijkomt. Hierbij wordt een atoombom als "ontsteker" gebruikt van een ongecontroleerde, explosieve kettingreactie van kernfusies. Slaagt men erin de "waterstofbom te temmen", in de zin dat deze fusiereacties in een fusiereactor geregeld en in de hand gehouden zouden kunnen worden, dan zou men daarmee de beschikking krijgen over een energiebron van onvoorstelbare afmetingen. Bij de toepassing van deuterium als brandstof zou de in de wateren op aarde aanwezige hoeveelheid deuteriumoxide een energie van circa 1025 kWh kunnen leveren. Een fusiereactie kan, zoals hierboven is aangegeven, alleen plaats vinden als de atoomkernen met een zeer grote snelheid tegen elkaar botsen. Om dit te bereiken moet het als brandstof gebruikte gas op een dermate extreemhoge temperatuur T worden gebracht dat de gemiddelde energie van de deeltjes kT (k is de constante van Boltzmann) in de orde van grootte van de potentiaalberg U0 komt te liggen (fig. 1). Aangezien deze potentiaalberg echter ook al min of meer doorlaatbaar is voor deeltjes waarvan de energie kleiner is dan U0 (quantummechanisch tunneleffect), beginnen al bij kinetische energiën van 10 à 100 KeV kernfusies op te treden. Bij kT = (ongeveer) 100 keV, d.w.z. T = (ongeveer) 100 miljoen °C, kunnen er daarom al voldoende kernen door thermische botsingen met elkaar reageren. Deze door thermische botsingen veroorzaakte kernreacties worden veelal aangeduid als thermonucleaire reacties.


Aangezien bij elke fusie meerdere MeV aan energie vrijkomt, is het mogelijk om een positieve energiebalans te bereiken, ook al neemt slechts een gering percentage van de aanwezige kernen aan de reacties deel. Slaagt men erin om de vrijkomende energie een zekere periode bijeen te houden, dan kan het gas verder zichzelf verwarmen. Bij deze extreem hoge temperaturen is dit volkomen geïoniseerd, d.w.z. geheel in de met "plasma" aangeduide toestand overgegaan: alle atomen zijn ontleed in vrij bewegende elektronen en "naakte" kernen. Men kan het daarom met een magnetisch veld van voldoende grote sterkte (circa 10 tesla) en een geschikt gekozen verloop van de veldlijnen in een betrekkelijk kleine ruimte comprimeren en "opsluiten" (fig. 3; elk materiaal voor de wand zou bij deze hoge temperaturen meteen verdampen). Wel treden hierbij enkele onvermijdelijke energieverliezen op doordat neutronen ontsnappen en straling wordt doorgelaten (vooral de remstraling, zie fig. 4). Een positieve energiebalans en de daarvan afhankelijke voortgang van de fusiereactie kan derhalve alleen worden verwezenlijkt als de energie van de gevormde geladen reactieprodukten deze verliezen kan dekken. Dit is bij een mengsel van 50% deuterium en 50% tritium bij temperaturen van meer dan 50 miljoen °C het geval; bij zuiver deuterium pas bij 400 miljoen °C.

Fig. 3: Het plasma wordt opgesloten binnen een ´puntig´ magnetisch veld; de stromen in de bekrachtigingsspoelen zijn tegengesteld gericht.

Fig. 4 : Geheel geïoniseerd deuteriumplasma;

een elektron zendt remstraling uit zodra zijn baan door de wisselwerking met andere deeltjes niet langer rechtlijnig is.

Tot de bekendste hulpmiddelen voor het onderzoek van kernfusie en de mogelijkheden om deze in de praktijk voor de opwekking van energie te benutten, behoort het zeta-apparaat (fig. 5), dat volgens het principe van een transformator werkt. De primaire wikkeling is op de gebruikelijke manier uitgevoerd; via deze geleider wordt een batterij van condensators ontladen. De secundaire wikkeling wordt gevormd door een plasma dat in een ringvormige buis (torus) wordt opgewekt. Vóór de ontlading van de condensatoren wordt het in de torus aanwezige gas (bijv. deuterium) onder een druk van 10-4 mmHg door middel van kortgolvige elektromagnetische straling zwak geïoniseerd, d.w.z. elektrisch geleidend gemaakt. Op het moment dat nu de ontlading over de primaire wikkeling begint, wordt in dit plasma een sterke stroom (tot 200.000 A) geïnduceerd, waardoor de ladingdragers cirkelvormige banen parallel aan de toruswanden gaan beschrijven. Deze "stroomlijnen" oefenen (zoals alle parallel verlopende elektrische stromen) een onderlinge aantrekkingskracht op elkaar uit, hetgeen ertoe leidt dat de plasmaring, die aanvankelijk de hele torus vult, samentrekt en er een lege ruimte bij de toruswand komt. Men noemt dit het pinch-effect. De optredende samentrekking van het plasma is verbonden met een grote temperatuurstijging, terwijl tegelijkertijd de ionisatiegraad zo sterk toeneemt dat het plasma na korte tijd volledig geïoniseerd is. Hiermee zijn de omstandigheden geschapen waaronder zich kernfusies kunnen afspelen. Men is er met het zeta-apparaat in geslaagd om de gecomprimeerde plasmaslang, (de pinch of toroïdplasmoïde genoemd) gedurende een periode van enkele seconden stabiel te houden en temperaturen van 5 miljoen °C te bereiken. Het is gelukt op een gloeilampje op te laten lichten.

Fig. 5 Schematische voorstelling van het zeta-apparaat

Een ander hulpmiddel is de stellarator, waarbij de opsluiting en de verhitting van het plasma onafhankelijk van elkaar worden bewerkstelligd. In een torus die tot een achtvormige lus is verdraaid (fig. 6) wordt door een stroomvoerende wikkeling een magnetisch veld opgewekt waarvan de veldsterkte met de afstand tot de torus- as in de richting van de wand toeneemt, zodat het plasma van de toruswand wordt weggedrongen. De verhitting vindt plaats volgens het reeds bij het zeta-apparaat beschreven principe van de transformator (namelijk: door de ontwikkeling van ohmse warmte in het als secundaire wikkeling fungerende plasma). Op deze wijze kan men echter niet hoger komen dan een temperatuur van ongeveer 1 miljoen °C, aangezien de elektrische geleidbaarheid van het plasma bij hogere temperaturen te groot wordt en de weerstand daarmee snel afneemt. Een andere wijze van verhitting is gebasseerd op een periodieke verandering van het magnetische veld door middel van een tweede wikkeling (zie fig. 6). Door hier een wisselstroom door te leiden krijgt men een periodieke verdichting en verdunning van de magnetische krachtlijnen in de torus ("magnetisch pompen"). Een geschikte keuze van de frequentie zorgt dat de toegevoegde energie vooral de kernen ten goede komt en in mindere mate de elektronen. Dit om de door de elektronen veroorzaakte verliezen ten gevolge van remstraling te beperken.

Fig. 6 Achtvormige stellarator-torus;

het magnetische veld wordt opgewekt door spoelen (hier vereenvoudigd voorgesteld door de wikkeling);

voor de stabilisatie van de deeltjesbanen (pinch) zijn speciale wikkelingen aanwezig.

Een derde hulpmiddel voor experimentele doeleinden is de magnetische val. In dit apparaat wordt het plasma ingesloten door een axiaal magnetisch veld dat aan de (niet afgesloten) uiteinden sterker is dan in het midden (fig. 7). De gebieden van verhoogde veldsterkte werken als "magnetische spiegels", doordat ze naderende plasmadeeltjes reflecteren (men spreekt om deze reden ook wel van een "magnetische fles" of "pyroton"). Het aanvankelijk koude plasma wordt door een snelle versterking van de magnetische velden samen getrokken en verhit, waarbij men in kleine gebiedjes tot temperaturen van meer dan 10 miljoen °C kan komen.

Fig. 7a en 7b

(LINKS) 7a: Principe van een magnetische val met ingesloten plasma;

(RECHTS) 7b: Het ingesloten plasma wordt bij verhoging van de stroom door de spoelen gecomprimeerd;

er treden dan fusiereacties op die met de emissie van neutronen en remstraling gepaard gaan.

Een andere methode om een beheerste kernfusie te krijgen is door kleine holle bolletjes, gevuld met een deuterium-tritium mengsel, te beschieten met lasers. De buitenkant van deze bolletjes ontploft en dus wordt de inhoud gecomprimeerd. Dan kan kernfusie optreden. Veel (tientallen) bolletjes per seconde zouden een kernfusie opgang brengen voor een substantiële energieopbrengst. Met name in de VS wordt met deze methode geëxperimenteerd, daarbij wordt het rekenprogramma gebruikt dat ook gebruikt is voor de waterstofbom, die de Amerikanen boven Japen hebben gegooid. Déze onderzoeken naar de mogelijkheid van kernfusie zijn niet de belangrijkste. Het doel van het internationale fusieonderzoek is het realiseren van een prototype fusie-energiecentrale, die voldoet aan de volgende maatschappelijke eisen: veilig, betrouwbaar, ruim voorradige brandstof, minimale milieubelasting en economische rendabel. Het laatste tien jaar is er een grote vooruitgang geboekt in het fusieonderzoek, zowel wetenschappelijk als technisch. Het grootste probleem is altijd geweest om een manier te bedenken om de reactie op te sluiten voor energievoorziening. In 1979 in Engeland werd begonnen met bouw de Joint European Torus (JET), die in 1983 klaar was. De JET was de eerste echte fusiereactor ter wereld, die op echte brandstof werkte (deuterium en tritium). Het lukte in deze centrale om 16 MW aan vermogen op te wekken, echter er was wel 25 MW voor nodig. Er was dus géén netto energieproduktie, maar de JET is nog steeds wel de wereldrecordhouder in de opwekking van kernfusie-energie. Sinds 2006 werkt de fusie-gemeenschap aan een groots fusie-experiment; de ITER. De ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) is een project tussen Europa, Rusland, de VS, Japan, China, India en Zuid-Korea. De ITER komt (naar verwachting) in 2016 in bedrijf en moet aantonen dat kernfusie op onze aarde mogelijk is. Er wordt in deze reactor 500 MW geproduceerd, tien maal zoveel als nodig is om de reactie op gang te brengen en wordt in Cadarache (Zuid-Frankrijk) gebouwd. Er is ook onderzoek naar koude kernfusie, kernfusie bij kamertemperatuur. Helaas heeft dat onderzoek geen reproduceerbare resultaten opgeleverd.