v., energie, opgewekt door middel van beheerste kernfusie.
© De mogelijkheid om door → kernfusie energie op te wekken lijkt zeer aantrekkelijk. De benodigde brandstof (deuterium) is, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen en uraan, in vrijwel onbeperkte hoeveelheden voorradig (in het zeewater is 1 op de 6500 waterstofatomen een deuteriumatoom), terwijl ook het probleem van het radioactieve afval, dat een van de grootste problemen van de kernsplijtingsenergie vormt, in principe niet aanwezig is. Daarom werden in het begin van de jaren vijftig allerlei onderzoekprogramma's in gang gezet om te komen tot een kernfusiereactor. Aan het begin van de jaren tachtig is dat doel nog lang niet bereikt. Kernfusiereactoren zullen zeer kostbare apparaten zijn, waarin enorme hoeveelheden energie ingevoerd moeten worden voordat de kernfusie op gang komt. De wetenschap is weliswaar optimistisch over de realiseerbaarheid van kernfusie-energie, maar het economisch nut ervan moet nog aangetoond worden.
Theorie van de kernfusie De winning van energie uit kernfusie berust op het feit dat bij het samensmelten van twee lichte atoomkernen tot één zwaardere er een massadefect optreedt dat vrijkomt in de vorm van energie (via de formule van Einstein, E = mc2). Voor de beheerste kernfusie worden vooral de volgende reacties beschouwd:
D + D > 3He + n + 3,25 MeV D + D>T + p + 4,0 MeV D + T > 4He + m + 17,6 MeV D + 3He > JHe + p + 18,3 MeV Ter vergelijking: bij de verbranding van koolstof tot koolstofdioxide komt slechts een miljoenste van de hoeveelheid energie vrij:
C + O2 → CO+ 4,17 eV Hieruit blijkt welke enorme energiehoeveelheden er met behulp van kernfusie vrij te maken zijn (potentieel bevat 1 liter zeewater evenveel fusieenergie als chemische energie in 230 kg steenkool). Het vrijmaken van de energie in steenkool (en andere fossiele brandstoffen) is relatief eenvoudig: door de vrijkomende warmte bij verbranding wordt stoom geproduceerd, die een turbine aandrijft. Het vrijmaken van fusie-energie is veel moeilijker.
Om atoomkernen te laten samensmelten moeten zij met grote snelheid in botsing komen om de coulombafstoting te overwinnen. Voldoende hoge snelheden kan men bereiken door het gas waarin de fusie op moet treden, te verhitten tot temperaturen van 100 mln. K of meer. Onder die omstandigheden is het gas volledig geïoniseerd en spreekt men van een plasma. Om een positieve energiebalans te verkrijgen (de actie moet meer energie opleveren dan werd toegevoerd om de hoge temperatuur te bereiken), dient het plasma gedurende een zekere tijd in die toestand te verkeren. Deze nodige tijd (r) hangt af van de dichtheid (het aantal deeltjes per cm3) van het plasma (n).
Fusie wordt effectief bij het zgn. lawsoncriterium nr > 1014cm 3s. Het zal duidelijk zijn dat een plasma in deze condities onmogelijk ingesloten kan worden in een stoffelijk vat (de hoogste smeltpunten van materialen liggen in de orde van 6000 K). Het plasma moet op een of andere wijze in een ruimte opgesloten worden zonder de wanden van die ruimte te raken, terwijl die ruimte wel vacuümdicht afgesloten moet zijn. Er bestaan twee fundamenteel verschillende methoden om plasmaopsluiting te bewerkstelligen: de zgn. traagheidsopsluiting of laserfusie en de magnetische opsluiting.
Laserfusie Bij de laserfusie worden gelijktijdig symmetrisch van verschillende richtingen zeer energierijke (tot 1 mln. J) laserpulsen geconcentreerd op een klein glazen bolletje (diameter 0,5 mm) waarin zich een deuterium-tritium mengsel bevindt. Door deze bestraling verdampt het bolletje en wordt het gas sterk verhit (tot de fusietemperatuur) en ten gevolge van de stralingsdruk sterk geconcentreerd. Door de traagheid van de deeltjes gaat de expansie van dit plasma voldoende traag om fusie tot stand te brengen. In Japan, de USSR en de VS zijn grote programma’s aan de gang om laserfusie te realiseren. Men verwacht in de VS met de Shiva-laser voor 1990 het break-evenpoint te bereiken, d.w.z. meer energie uit de fusie te verkrijgen dan er via de lasers ingeschoten wordt.
Magnetische opsluiting Een plasma bestaat uit ionen (elektrisch geladen deeltjes) en kan dus beïnvloed worden door elektrische en magnetische velden. Bij magnetische opsluiting maakt men gebruik van het feit dat de ionen spiraalbanen gaan beschrijven rond de magnetische veldlijnen (ten gevolge van de lorentzkracht).
De eenvoudigste opstelling bestaat uit een magnetische fles met aan weerszijden magnetische ‘spiegels’. Bij deze zgn. mirrorcontainment maakt men gebruik van een cilindrisch magnetisch veld dat aan de uiteinden sterker wordt waardoor de plasmadeeltjes gereflecteerd worden. Een nadeel van dit relatief goedkope systeem is dat er aan de uiteinden nog altijd vrij veel deeltjes aan het plasma ontsnapten. Nieuwe ontwikkelingen die dit probleem ondervangen, hebben er toe geleid dat in 1980 besloten werd om voor S 226 mln. een proefreactor te gaan bouwen van dit type te Livermore (Californië).
Men kan ook een in zichzelf gesloten plasma in de vorm van een torus creëren. Rondom het toroidale vacuümvat waarin het plasma moet worden opgesloten, worden elektromagneten geplaatst die een toroidaal magnetisch veld opwekken. In een dergelijk veld vertonen de plasmadeeltjes evenwel een drift naar de rand van het systeem, daarom is er een tweede magnetisch veld, het poloidale veld nodig, om opsluiting van de deeltjes te bereiken. Bij fusiereactoren van het tokamak-type wordt het poloïdale veld opgewekt door een elektrische stroom die door het plasma loopt.
Een van de verst ontwikkelde fusiereactors van het tokamak-type is de J ET (Joint European Torus) die te Culham (Groot-Brittannië) in aanbouw is en in 1983 in bedrijf moet komen. Dit apparaat zal bij elkaar ca. 200 mln. Europese Rekeneenheden gaan kosten. Bij de JET (afb.) fungeren de oranje jukken als primaire windingen van een transformator. Het plasma fungeert als secundaire winding. In het plasma zal een stroom gaan lopen van-2,6-4,8 mln. ampère, die het poloïdale magnetische veld opwekt en tevens voor een eerste verhitting van het plasma zorgt (tot ca. 10 mln.
K). Om de vereiste temperatuur voor fusie te bereiken worden nog een aantal verhittingsmethoden toegepast:
1. injectie van neutraal waterstof; hierbij worden waterstofionen eerst versneld, dan geneutraliseerd (zodat ze het toroïdale magnetische veld kunnen passeren) en daarna geïnjecteerd in het plasma, waar zij afgeremd worden en hun kinetische energie afstaan aan het plasma en het daardoor verhitten;
2. radio-frequentverhitting; door middel van spoelen en golfgeleiders worden in het plasma oscillerende stromen geïnduceerd bij frequenties waar een grote absorptie optreedt (resonanties); op deze wijze kunnen grote hoeveelheden energie in het plasma gebracht worden; 3. adiabatische compressie; door het magnetische veld snel te versterken wordt het gas adiabatisch samengeperst en dus verwarmd.
De plasmatorus in de JET heeft een straal van ca. 6 m en een hoogte van ca. 4 m en een breedte van ca. 2,5 m. In Nederland wordt ondersteunend onderzoek voor het JET-programma verricht aan het FOM-Laboratorium Rijnhuizen te Nieuwegein, het FOM-Laboratorium te Amsterdam, Het Energieonderzoek Centrum te Petten en de TH ’s te Enschede en Eindhoven.
Naast de JET zijn er grote tokamak-machines in aanbouw in de VS, Japan en de USSR. In 1980 heeft het Amerikaanse congres een wet aangenomen die voorziet in een versneld programma dat moet leiden tot het bouwen en in bedrijf stellen van een demonstratie-kernfusiecentrale voor het jaar 2000. Daarmee is de geplande datum 15 jaar naar voren geschoven.
Gevaren van kernfusie-energie Hoewel het eindprodukt van een kernfusiereactor niet radioactief is, blijft toch het gevaar van radioactiviteit ook bij fusiereactoren uitermate groot. Ten eerste is er de brandstofvoorraad die uit radioactief tritium bestaat. Tritium is uitermate gevaarlijk, omdat het heel gemakkelijk in allerlei organische verbindingen ingebouwd kan worden; als het zodoende in DNAmoleculen terechtkomt, kan dat erfelijke schade teweegbrengen. Bovendien differentieert het heel makkelijk zelfs door metalen wanden. Ten tweede is er het radioactief afval dat afkomstig is van de fusiereactor zelf. De wanden van het reactievat staan nl. voortdurend bloot aan bestraling met neutronen en tritium- en heliumkernen die uit het plasma ontsnappen.
Ten gevolge van deze bestraling ontstaan in de wand allerlei sterk radioactieve radionucliden. De wand verzwakt daardoor en zal na enige tijd vervangen moeten worden; daaruit resulteren enige honderden tonnen hoog radioactief metaal. Afb.p.365.
Litt. J.D.Fast, Energie uit atoomkernen (1980).
