Netherlands

Bij kernfusie worden twee lichte atoomkernen samengevoegd tot één zwaardere. Kernfusiereacties, ook wel thermonucleaire reacties genoemd zijn reacties die voortdurend plaats grijpen in onze Zon en de sterren. Zo wordt in de Zon elke seconde liefst 657 miljoen ton waterstof via kernfusie omgezet in 653 miljoen ton helium. Het verschil van 4 miljoen ton in massa is daarbij omgezet in straling, en dat is wat de Zon doet schijnen. De extreem hoge temperatuur en druk in het centrum van de Zon en de sterren creëren een toestand waarbij de materie volledig geïoniseerd is (waarbij ál de elektronen van hun atomen verwijderd zijn), die we plasma noemen, en die door de zwaartekracht wordt bijeen gehouden.

Een reeks kernfusiereacties waarbij een relatief hoge hoeveelheid energie (nl. 27.7 MeV) vrij komt is die waarbij 4 protonen uiteindelijk worden omgezet in een atoomkern van helium (een zogenaamd alfa-deeltje). Omdat in deze cyclus waterstofisotopen betrokken zijn en waterstof zowat overal rond ons aanwezig is (elk wateratoom bevat twee gewone waterstofisotopen), is het erg aantrekkelijk om energie proberen te produceren vis de kernfusie van waterstof, waardoor we een zo goed als onbegrensde energiebron voor de huidige en toekomstige generaties zouden creëren.

Het is echter heel erg moeilijk om kernfusiereactie tot stand te brengen op aarde. Hiervoor zijn immers extreem hoge temperaturen nodig, van de orde van enkele honderden miljoenen Kelvin. Bovendien is het verre van eenvoudig om het plasma, wanneer het één maal gemaakt is, in stand te houden.

De volgende lijst geeft kernfusiereacties die van praktisch nut zouden kunnen zijn voor de productie van energie via kernfusie:

D + D T + H + 4.04 MeV
D + D 3He + n+ 3.27 MeV
D + T 4He + n + 17.58 MeV
D + 3He 4He + p + 18.7 MeV
T + T 4He + 2n + 11.3 MeV
H + 6Li 4He + 3He + 3.9 MeV
H + 11B 3(4He) + 8.68 MeV
D + 6Li 2(4He) + 22.3 MeV

Om twee atoomkernen via kernfusie te laten samensmelten, moet de zogenaamde Coulomb barrière (ten gevolge van de elektrische afstoting) tussen de twee atoomkernen overwonnen worden. Ze moeten daarvoor een hoge kinetische energie hebben, van de orde van een paar kilo-elektronvolt (keV) tot enkele honderden keV (later zullen we nog een andere vorm van kernfusie bespreken die bij lage temperaturen verloopt en wordt in gang gezet door zogenaamde muon-gekatalyseerde kernfusie). Het is niet moeilijk om lichte deeltjes te versnellen tot energieën van enkele tot enkele honderden keV. Maar helaas is de energie die hiervoor nodig is veel groter dan de energie die bij de kernfusie vrij komt. Het is interessanter om een andere weg te volgen: de hoge energie die nodig is kan ook verkregen worden door een gas tot een zeer hoge temperatuur te verhitten. Bij temperaturen van tientallen tot honderden miljoenen Kelvin worden, door botsingen tussen de atomen, al de elektronen van de atomen weggerukt (ionisatie) waardoor er een plasma van vrije elektronen en atoomkernen ontstaat waarin de atoomkernen voldoende snel bewegen om te kunnen samensmelten. Daarom noemt men kernfusiereacties vaak ook “thermonucleaire” reacties.

De voornaamste technische problemen bij kernfusie zijn het genereren van de extreem hoge temperatuur en druk in het geïoniseerde gas (plasma) en daarna dit plasma voldoende lang te kunnen laten bestaan zodat er zich kernfusie kan voordien, waarbij dan energie vrij komt. Zodra dit gerealiseerd is, en er zich genoeg kernfusiereacties voordoen, zou het systeem deze extreme condities dan zelf kunnen onderhouden, zodat er continu energie zou kunnen geproduceerd worden, op voorwaarde natuurlijk dat er voortdurend nieuwe waterstofisotopen voor de fusie worden aangevoerd.

De vereiste condities om energie te produceren in een thermonucleaire reactor worden samengevat in het zogenaamde Lawson-criterium. Dit stelt dat het product van de dichtheid van atoomkernen in het plasma, en de tijd gedurende dewelke het plasma bijeen kan worden gehouden bij de temperatuur die nodig is om de kernfusiereacties te laten plaats vinden, groter moet zijn dan een bepaalde minimale waarde. Voor de fusie van de twee waterstofisotopen deuterium en tritium (D-T fusie) is dit bijvoorbeeld:

neτE ≥ 1.5 × 1020 s/m3

Door de vereiste zeer hoge temperaturen van vele miljoenen graden mag het plasma niet in contact komen met de(veel koelere) wanden van de kernreactor omdat het anders sterk zou afkoelen waardoor de kernfusiereacties onmiddellijk zouden stoppen. Er moeten dus speciale technieken ontwikkeld worden om het plasma op te sluiten zonder dat het met welk materiaal dan ook in contact komt.

Er bestaan drie methodes om een plasma op te sluiten: gravitationeel (door gebruik te maken van de zwaartekracht), magnetisch, en inertieel (zie verder). In sterren wordt het plasma in het centrum samen gehouden door de zwaartekracht van de hoger liggende gaslagen die voldoende druk uitoefenen. Dat is op aarde echter onmogelijk te realiseren. Wel kunnen sterke magnetische velden gebruikt worden om het plasma magnetisch op te sluiten in de lege ruimte binnen in een kernfusiereactor. Een andere mogelijkheid is om het plasma ‘inertieel’ op te sluiten in de reactor. Daarbij worden waterstoftabletten dan samengedrukt door zeer intense laserbundels of deeltjesbundels.

Bij magnetische opsluiting, waarbij de deeltjesdichtheid groter is dan ongeveer 1020/m3, moet de opsluitingstijd van het plasma volgens het Lawson-criterium groter zijn dan 1 s. Bij ‘inertiële’ opsluiting is de deeltjesdichtheid ongeveer ≈ 1031/m3 en hoeft de opsluitingstijd slechts 10-11 s te zijn.

De meest interessante reactie voor kernfusie op aarde is de fusie van deuterium en tritium, D + T → 4He + n + 17.58 MeV, hoewel deuterium-deuterium reacties ook overwogen worden. Deuterium kan gemakkelijk uit water gewonnen worden. Een aantal watermoleculen zijn immers geen gewoon H2O, maar wel D2O. Water bevat zo ongeveer 30 gram deuterium per kubieke meter. Tritium moet echter artificieel aangemaakt worden, ofwel in een kernreactor, ofwel in een fusiereactor in de reactie van neutronen met lithium, een element dat in grote hoeveelheden in de aardkorst voorkomt. Dit kan bijvoorbeeld door rond het hart van een kernfusiereactor een volume gevuld met lithium te plaatsen. Neutronen van de D-T fusiereactie zullen in deze lithiummantel eerst vertraagd worden en uiteindelijk door de lithiumatomen worden ingevangen waarbij de zo gevormde atoomkern onmiddellijk uiteen valt in tritium en helium-4. De energie die daarbij vrij komt warmt het lithium op. Hierdoor wordt op zijn beurt het water in een leiding die door deze lithiummantel passeert ook opgewarmd waarmee dan dezelfde cyclus die tot de productie van elektriciteit leidt start die ook in een kernsplijtingsreactor gebruikt wordt.

De beweging van geladen deeltjes in een plasma kan worden gecontroleerd door een uitwendig magneetveld. In gesloten systemen met magnetische opsluiting, zogenaamde Tokamak reactoren (die de vorm van een torus, ook wel een ‘donut’ hebben), wordt het plasma (bv. een D-T plasma) verhit en opgesloten bij dichtheden tot 1021 deeltjes per kubieke meter. Het magnetisch veld heeft een zodanige vorm dat het de deeltjes in het plasma (nl. elektronen en atoomkernen) weg houdt van de wanden van de reactor. Als het plasma de wanden toch zou raken, zou het onmiddellijk sterk afkoelen, waardoor de kernfusiereacties dan zouden stil vallen.

Naast de zeer hoge temperaturen is ook de magnetische druk om een plasma op te sluiten enorm. Voor atmosferische dichtheden (about 1027 deeltjes per kubieke meter), en een thermische energie van 10 keV, moet de magnetische druk groter zijn dan 108 hPa. De spoelen om het magneetveld op te wekken en hun mechanische ondersteuning kunnen een dergelijk grote druk niet weerstaan. Om bij een lagere druk te kunnen werken moet men de deeltjesdichtheid verlagen. Om dan toch aan het Lawson criterion te kunnen voldoen moet men het plasma dan voor een langere tijd opgesloten kunnen houden.

De meest nuttige magneetveldconfiguratie is die van een toroïdaal magnetisch veld gebleken. De reactorkamer heeft dan de vorm van een donut en vorm een gesloten ‘magnetische fles’. Om een stabiel plasma te hebben moeten de magnetische veldlijnen hierin een spiraalvormig patroon volgen. Dit kan worden verwezenlijkt in toestellen die ‘tokamak’, ‘stellarator’, of ‘reverse field pinch’ (RFP) genoemd worden en die hieronder kort zullen besproken worden.

Bij tokamaks en stellarators worden de geladen deeltjes in het plasma van de wanden weggehouden door ze een spiraalvormig pad rond een helicoïdaal (zoals een schroefdraad) magneetveld te laten beschrijven. Bij een tokamak wordt dit veld gecreëerd als de som van twee afzonderlijke magneetvelden. Het eerste wordt opgewekt door een stroom door het plasma te sturen, over de cirkelvormige as van de torus (poloïdaal veld). Het tweede (toroïdale veld) wordt opgewekt door D-vormige spoelen die over de volledige omtrek rond de ringvormige torus zijn geplaatst.

Credits: EFDA
De stroom door het plasma die het eerste magneetveld opwekt verwarmt het plasma tegelijk ook tot de vereiste temperatuur van ongeveer 10 miljoen graden. Het idee van de tokamak is afkomstig van de Russische fysici Andrey Sacharov en Igor Tramm. De grootste nadelen van de tokamaks zijn de vrij nauwe grenzen van de werkingsparameters van deze machines. De grootste tokamak die tot nog toe gebouwd werd is de Joint European Torus (JET) bij Oxford, in Groot-Brittannië.

In een stellaratorworden de plasmacondities geregeld door stromen die buiten het plasma circuleren. De helicoïdale veldlijnen worden nu geproduceerd door een reeks van spoelen die zelf een helicoïdale vorm hebben.

Credits: LHD
De grootste stellarator, de “Large Helical Device” (LHD), die hiernaast is afgebeeld, werd in 1998 in Japan in het ‘National Institute of Fusion Research’ in gebruik genomen. Omdat er in stellarators geen stroom door het plasma gestuurd wordt, moet de opwarming daarvan op een andere manier gebeuren, bijvoorbeeld door elektromagnetische straling in het plasma te brengen. Dit wordt onderzocht in Greifswald, Duitsland. Stellarator gelijken op tokamaks wat betreft de toroïdale en poloïdale magneetvelden, maar de gebruikte stromen zijn veel groter. Een stellarator wordt onder andere in Padua, Italië, gebruikt.

Bij kernfusie door inertiële opsluiting wordt een geperste pellet die de deuterium en tritium brandstof bevat in een ultrakorte tijd verhit om de hoge temperatuur en druk te bereiken die vereist is om een plasma te creëren.

Credits: ITER
Hiervoor wordt de pellet samengeperst door ze te beschijnen met een groot aantal sterke en goed gefocusseerde laserbundels. Daardoor verdampt de oppervlaktelaag die zo een plasmaschil vormt rond de rest van de pellet. Deze schil zet uit en creëert zo een naar binnen gericht drukfront waardoor de rest van de pellet implodeert en zo tot onmiddellijke D-T kernfusie leidt.

Het meest geavanceerde kernfusiesysteem gebaseerd op inertiële opsluiting is het NOVA systeem aan het Lawrence Livermore Laboratorium in de Verenigde Staten. Onderzoekers hebben met NOVA aangetoond dat het mogelijk is om door het creëren van een hoge druk dichtheden kunnen bereikt worden die tot 600 keer groter zijn dan die van een vloeibaar D-T mengsel, en 20 keer groter dan de dichtheid van lood.

De Europese Gemeenschap is in 1978 met het Joint European Torus, JET programma gestart. Het onderzoekscentrum bevindt zich in Culham, in de buurt van Oxford in Groot-Brittannië. Het voornaamste doel van JET was om testmetingen uit te voeren in verband met plasmafysica en de stabiliteitscondities van een tokamak-reactor, inclusief kernfusietesten.

Image Credits:ITER
Het toestel, in feite de grootste tokamak die al gebouwd werd, werd operationeel in 1983 en de eerste gecontroleerde kernfusiereacties waarbij vermogen werd opgewekt, werden uitgevoerd in november 1991. In 1997 werd gedurende 1 seconde een recordvermogen van 16 MW bereikt met een D-T mengsel als brandstof. Het JET experiment toonde zo duidelijk aan dat gecontroleerde kernfusie wel degelijk mogelijk is.

De opvolger van JET is ITER, een internationaal onderzoeks- en ontwikkelingsproject in Cadarache, Frankrijk. ITER zal nog groter zijn dan JET en zo de grootste experimentele tokamak kernfusiereactor ter wereld worden. Met het ITER project wil men de lang verwachte overgang maken van experimenteel plasmafysica onderzoek naar realistische elektriciteit producerende kernfusiecentrales.

The National Ignition Facility (NIF), located in California, USA, is the world's largest and most energetic laser facility, and one of its goals is achieving nuclear fusion and energy gain in the laboratory for the first time - in essence, creating a miniature star on Earth.

In de ‘National Ingition Facility” (NIF) in Californië, Verenigde Staten, staat ‘s werelds grootste en krachtigste laseropstelling. NIF maakt daarvoor gebruik van de hoger vermelde methode van fusie door inertiële opsluiting en één van de voornaamste doelen van NIF is om voor het eerst kernfusie en netto energieproductie te realiseren met deze technologie, dit wil zeggen meer energie te produceren bij de kernfusie dan er nodig is om de kernfusie in gang te zetten. Daarnaast doet men met NIF ook onderzoek naar het gedrag van materie in de omstandigheden in kernwapens.

De extreme temperaturen en drukken die gecreëerd worden in de NIF opstelling maken het mogelijk om experimenten uit te voeren met materie bij ongeëvenaard hoge-energieën en dichtheden waardoor nieuwe inzichten kunnen verkregen worden over astrofysische fenomenen zoals supernova’s, reuzenplaneten en zwarte gaten.

Kernfusie is in zekere zin de tegengestelde reactie van kernsplijting. Bij kernsplijting worden lichtere kernen geproduceerd door de splijting van een zware kern, en de som van de massa’s van de geproduceerde kernen is lager dan de massa van de zware kern. Bij kernfusie is de massa van de zware kern die geproduceerd wordt kleiner dan de som van de initiële massa’s van de lichtere kernen die samensmelten.

Het is duidelijk dat voor een kernfusiereactie de relatieve energieën van de botsende kernen (die beide een positieve elektrische lading dragen!) groot genoeg moeten zijn om de elektrische afstoting te overwinnen. Om dus helium atomen te produceren bij de fusie van bijvoorbeeld deuterium en tritium moet de brandstof onder extreem hoge temperatuur en druk gehouden worden.

Bij de D-T fusiereactie wordt naast helium ook een neutron geproduceerd. Dit laatste heeft een hoge kinetische energie, die bij het vertragen van het neutron wordt afgegeven. Deze energie kan worden omgezet in warmte waarmee stoom kan geproduceerd worden, die op zijn beurt een turbine aandrijft die dan weer een stroomgenerator doet draaien.

Ongeveer één per 6000 waterstofatomen rond ons (inclusief de waterstofatomen in water) is een deuteriumatoom. Dit is een goede reden om één of ander type van kernfusie-installatie te ontwikkelen omdat zo wellicht een onuitputtelijke bron van energie zou verkregen worden voor zolang de mensheid nog zal bestaan.

Ter vergelijking: om 1 GW-jaar aan elektrische energie te produceren heeft men 35 ton UO2 nodig om te splijten, of 100 kg deuterium en 150 kg tritium voor kernfusie. Een ander aspect dat kernfusie aantrekkelijk maakt is het bijna volledig ontbreken van enig radioactief bijproduct. Bovendien wordt bij kernfusie, anders dan bij kernsplijting, geen enkel materiaal geproduceerd dat van nut zou kunnen zijn voor de productie van kernwapens. Verder is een zwaar kernongeval met een kernfusiereactor totaal uitgesloten omdat daarbij het plasma zou uitzetten en daarbij onmiddellijk ook zou afkoelen. Verder is in een kernfusiereactor op elk moment enkel de hoeveelheid brandstof aanwezig die nodig is om de reactor draaiend te houden, terwijl de brandstofstaven in een kernsplijtingsreactor maar om de drie jaar vervangen worden waardoor altijd veel meer uranium aanwezig is dan nodig om de kettingreactie op gang te houden.

Dit betekent niet dat er helemaal geen risico’s bestaan voor kernfusiereactoren. Zo worden er bijvoorbeeld grote hoeveelheden snelle neutronen en ook het radioactief isotoop tritium geproduceerd. Ook de aanwezigheid van gesmolten lithiumzouten en van het kankerverwekkende beryllium vereist speciale, maar wel standaard veiligheidsmaatregelen.

Net als bij kernsplijting wordt er ook bij kernfusie veel ioniserende straling geproduceerd, vooral in de vorm van neutronen. Deze laatste worden vertraagd en kunnen daarna worden ingevangen door atomen in de materialen in hun omgeving die daardoor radioactief worden (ze zenden dan gammastraling uit; wit heet neutronactivatie). Eén van de grootste uitdagingen bij kernfusiereactoren is het afschermen van de ganse installatie tegen die radioactiviteit veroorzaakt door neutronactivatie. Ook het gevaar verbonden aan een mogelijk incident met het magneetsysteem, waarin een ontzagwekkend grote hoeveelheid energie zit opgeslagen, moet grondig bekeken worden. In 1992 werd een Europees comité opgericht, het “European Safety and Environmental Assessment of Fusion Power” (SEAFP), dat het ontwerp van een op kernfusie gebaseerde elektriciteitscentrale uit te werken, daarbij rekening houdend met de veiligheid en de mogelijke impact op omgeving en milieu. Volgens dit comité is het belangrijkste voordeel van kernfusie over kernsplijting dat als er zich een kernongeval zou voor doen (het ergste scenario) de hoeveelheid radioactiviteit die zou vrij komen nooit van die aard zal zijn dat de bevolking die in de omgeving van de centrale woont zou moeten geëvacueerd worden. Daarnaast vervallen de radioactieve afvalproducten die in een kernfusiereactor geproduceerd worden vrij snel (de langste halveringstijd is die van 60Co, namelijk ongeveer 30 jaar), zodat er geen langdurige opslag van het kernafval op een geïsoleerde site (zoals bijvoorbeeld ondergronds bij het huidige kernafval) nodig zal zijn. Een specifiek veiligheidsprobleem waar bij een kernfusiecentrale rekening mee zal moeten gehouden worden is het mogelijk vrij komen van tritium in de omgeving. Dit radioactieve gas dringt zeer gemakkelijk overal in, lost erg gemakkelijk op in water, en kan met een halveringstijd van 12 jaar tot 20 of 30 jaar na het ongeval nog schade aanrichten. De energie van de bètastraling die tritium bij zijn verval uitzendt is echter zeer laag waardoor ze enkel de huid kan beschadigen. Een groter gevaar bestaat echter als tritium als gas of in water in het lichaam wordt opgenomen. Er zal dus speciale aandacht aan geschonken moeten worden. Gelukkig is de hoeveelheid tritium in de reactor eerder beperkt omdat er op elk ogenblik maar genoeg brandstof in de reactor is om de reactie gaande te houden. Daarnaast moet de tritiumbrandstof niet naar de centrale worden gebracht en daar tot ze gebruikt worden opgeslagen omdat het tritium in de reactor zelf kan worden aangemaakt. Inderdaad, tritium (3H) wordt (samen met heliumgas, 4He) geproduceerd in de reactie van de vertraagde neutronen met de lithium koelvloeistof die zich rond het hart van de reactor bevindt (6Li + n -> 3H + 4He).

Op dit ogenblik ziet het er niet naar uit dat we de eerstvolgende decennia elektriciteit zullen kunnen produceren met kernfusie. Pas aan het einde van de jaren 1990 is men er voor het eerst in geslaagd om in een kernfusiereactor evenveel energie te produceren als er nodig was om de kernfusie te verwezenlijken. Dat gebeurde eerst in de Amerikaanse TFTR testreactor bij Princeton, en daarna met de JT60 installatie in Japan en met de Joint European Torus (JET). De voornaamste uitdagingen om een commercieel bruikbare kernfusiereactor te maken zijn: een plasma produceren dat stabiel is, materialen vinden of ontwikkelen die aan de zeer hoge flux van neutronen kunnen weerstaan, en beduidend meer energie kunnen produceren dan nodig is om de installatie te laten draaien.

Image Credits:ITER
Sinds 2007 verenigen al de landen die wereldwijd met onderzoek rond kernfusie bezig zijn (de Europese Unie, Verenigde Staten, Rusland, Japan, China, India en Zuid-Korea) hun inspanningen in het zogenaamde ITER project (“International Test Reactor”). De ITER reactor is momenteel in aanbouw in Cadarache in Zuid-Frankrijk en hiermee wil men in ongeveer 30 jaar tijd komen tot een vermogen van 500 MW met een winstfactor (hoeveel meer energie er dus uit komt in vergelijking met de energie nodig om de reactor te laten draaien) van Q = 5 tot 10.

Hier wordt de fundering aangelegd voor het gebouw waar de ITER testreactor in zal worden opgesteld; Cadarache, februari 2014.

Als alles goed gaat zullen we over ongeveer 50 tot 60 jaar misschien kernfusie effectief kunnen gebruiken voor de productie van elektriciteit.