Hoofdstuk 6. Energie en impuls

Uit figuur 6.12 valt af te lezen dat er energie vrijkomt bij de fusie van Deuteriumkernen tot bijvoorbeeld Helium. Deuterium is een isotoop van waterstof met een kern die bestaat uit een proton en een neutron. Deuteriumfusie is technisch erg lastig. Een volgende kandidaat die zich dan aandient is ³He; daarvan is echter op Aarde slechts 200 kg van aanwezig. Het komt wel veel op de Maan voor, maar voorlopig is ook ³He als fusiekandidaat afgewezen.

Men poogt nu energie te winnen door Deuterium met Tritium te fuseren. Tritium is een radioactieve isotoop van waterstof, met een kern die bestaat uit 1 proton en 2 neutronen. Tritium is vrij eenvoudig te maken door beschieting van Lithium met neutronen. Deuterium komt veel voor in zeewater - voor het beoogde fusieproces is er op Aarde voldoende brandstof voor handen. De reactie die plaats vindt is getekend in figuur 6.13.

Waar het hier om gaat is, dat de sommassa van de gevormde reactieproducten, dus het neutron en het α-deeltje of ⁴He-kern, kleiner is dan de massa van de kernen voor de reactie, dus D en T.

Dit massaverschil wordt volgens E=mc² omgezet in energie. Voor het grootste deel is dit kinetische energie van het neutron, dat door middel van een botsing die energie overdraagt aan de wand van het vat. De temperatuurstijging daarvan kan worden gebruikt om stoom te produceren.

In dit proces raken de 'brandstoffen' D en T op. Met een handigheidje kan T weer worden aangevuld: in de wand van het vat brengt men Li aan. Bij de botsing van een neutron tegen de wand wordt dan Li omgezet in He en T, waarbij ook nog eens extra energie vrijkomt. Op deze manier hoeft tijdens de werking van de reactor geen radioactieve stof te worden toegevoerd, wat bijdraagt aan de veiligheid.

Kernen fuseren niet zomaar vanzelf. Omdat atoomkernen alle positief geladen zijn, stoten ze elkaar elektrisch af. De afstotende krachten kunnen overwonnen worden door de kernen grote snelheid te geven; dit gebeurt door de temperatuur tot grote hoogte op te voeren. Je moet dan denken aan zeer extreme temperaturen van meer dan 100 miljoen K. Bij die temperaturen zijn alle atoomkernen 'kaal', d.w.z. alle atomen zijn volledig geïoniseerd: elektronen hebben losgelaten. We spreken van een plasma.

Het plasma wordt op drie manieren verhit tot genoemde temperaturen. Eerst wordt het al opgewarmd door het plasma te gebruiken als Ohmse weerstand in de secundaire keten van een transformator - er zijn dus spoelen nodig waardoorheen sterke stromen lopen. Om te voorkomen dat die spoelen zelf door de grote stroomsterkte heet worden, worden ze gekoeld met vloeibaar Helium - ze zijn dan supergeleidend, vertonen geen weerstand en worden dus ook niet warm. Op die manier wordt het plasma tot ca. 30 miljoen K verhit. Daarna wordt, net als bij een magnetron, via elektromagnetische golven een verdere verhitting gerealiseerd - tot ca. 100 miljoen K. Tot slot wordt D, dat in de reactie wordt verbruikt en dus aangevuld moet worden, met grote snelheid het plasma ingeschoten, leidend tot een verder temperatuurstijging.

Je zult je nu misschien afvragen waarom het vat waarin het plasma zich bevindt, niet smelt bij dergelijke temperaturen. Dit is te danken aan de opsluiting van het plasma in magnetische velden. Het plasma raakt de wanden van het vat niet aan, op de neutronen na die tegen de wanden botsen en zo, gecontroleerd, hun kinetische energie daaraan overdragen.

Hierin zit ook een heel belangrijk veiligheidsaspect van zo'n kernfusiereactor. Op elk moment bevindt zich maar een paar gram fusiematerie in de reactor. Weliswaar zeer heet, maar door de geringe massa met weinig warmte daarin opgeslagen. Als die warmte in één klap (bij een storing bijvoorbeeld) overgedragen zou worden aan het zware, metalen vat, zou dat niet eens veel in temperatuur stijgen. En in het slechte geval dat die warmte op één plek terecht zou komen, is denkbaar dat het vat plaatselijk smelt - een financiële schadepost, maar nog steeds geen ramp. De kernen zouden elektronen oppikken en veranderen in atomen. Van die atomen is alleen het T radioactief, waarbij het om minder dan 1 gram gaat. Dit zou opgevangen worden in het betonnen omhulsel dat het vat omsluit.

Ongelukken komen vaak niet alleen. Dus zelfs als het T in de omgeving terecht komt, zal het niet veel schade aan kunnen richten. Het is 1 gram gas dat zich in de atmosfeer verspreidt en dat bovendien alleen bij inademing schadelijk kan zijn. Wie niet net naast de centrale staat als het fout loopt, heeft zelfs van zo een ongeluk niets te duchten.

Aan energiecentrales die op fossiele brandstoffen of uranium draaien, kleven grote bezwaren. De hoeveelheid aardolie en aardgas op Aarde is te klein om de hele wereld lange tijd van energie te voorzien. Bovendien is er afval in de vorm van CO₂, hetgeen tegenwoordig in een kwade reuk staat. Ook is het zonde om aardolie te verbranden: het is immers ook een grondstof voor allerlei kunststoffen als plastics enz.

Van uranium is genoeg aanwezig voor nog een paar honderd jaar energieproductie. Daar speelt geen CO₂-probleem, maar wel andere problemen: het radioactieve afvalprobleem, en twee veiligheidsproblemen. Een fout in een centrale kan voor ellende zorgen - zo veroorzaakte een reeks aan blunders in een centrale vlak bij Kiev een ontploffing waarbij velen gezondheidsschade opliepen. Ook is het mogelijk met zo'n centrale te werken aan een atoombom of de productie van het zeer giftige plutonium.

Om bovengenoemde redenen is men al een tijd bezig kernfusie onder de knie te krijgen. Het lijkt een prachtige bijdrage te kunnen worden aan de oplossing van ons energieprobleem: voldoende brandstof, geen CO₂ uitstoot, geen radioactief afval (behalve het vat op den duur - een probleem dat ook weer oplosbaar lijkt), geen militaire toepassing.

Tussen 2006 en 2018 wordt een reactor als boven beschreven in Frankrijk gebouwd, met financiële bijdragen van zo ongeveer alle grote staten: de EU, Rusland, de VS, China, Japan, India, Brazilië en Zuid-Korea. Blijkt tijdens de proefperiode, die zo'n 20 jaar gaat duren, de reactor goed te werken, dan kunnen er echte energiecentrales gebouwd gaan worden. De inschatting is dat het nog zo'n 40 jaar gaat duren voordat die in bedrijf zijn!