Energie is een belangrijk maatschappelijk probleem. De fossiele voorraden zijn eindig en de energiebehoefte zal alleen maar groeien. Kernsplijting levert veel energie op, maar stuit ook op veel weerstand. Is kernfusie dan misschien de oplossing? Al sinds de jaren 50 is kernfusie in beeld. Een praktische toepassing is tot op heden een probleem geweest. Met de huidige stand van de technologie en als de huidige trend zich voortzet, kan de eerste werkende fusiereactor over 30 tot 35 jaar een feit zijn.
Deuterium, plasma & tokamak
Klinken de termen in bovenstaande titel bekend in de oren? Ze zijn alledrie erg kenmerkend voor kernfusie. Deuterium is namelijk de brandstof voor het fusieproces. Deuterium is de stabiele isotoop van waterstof; het heeft één proton en één neutron in de kern. In eerste instantie zal de fusiereactie plaatsvinden tussen deuterium en tritium (de radioactieve isotoop met één proton en twee neutronen in de kern). Op langere termijn moet de fusie tussen twee deuteriumatomen mogelijk zijn.
D + T => 4He + n
Bij elke reactie komt 17.6 MeV (2.8 pJ) vrij.
Het grote probleem van kernfusie is dat je de atomen heel dicht bij elkaar moet brengen, zodat ze kunnen fuseren. De sterke kernkracht moet namelijk de elektrische kracht (afstotend) overwinnen. Dit moet je doen door heel veel energie aan de atomen te geven. Met andere woorden, de temperatuur moet enorm hoog gemaakt worden. Enorm hoog is in dit geval miljoenen graden Celsius! Je kunt je voorstellen dat geen enkele wand bestand is tegen deze temperaturen. Het materiaal zal bij dit soort temperaturen een plasma configuratie aannemen.
Om contact met de relatief koude wand te vermijden, kunnen we gebruik maken van een eigenschap van het plasma. Omdat een plasma uit geladen deeltjes bestaat - ionen en elektronen - kan een plasma worden gemanipuleerd met magneetvelden. Een geladen deeltje is gedwongen om een magneetlijn te volgen, zoals afgebeeld in figuur 1.
De magneetlijnen zijn zo georganiseerd dat het plasma de binnenwand van het vat niet meer raakt: deze techniek wordt daarom magnetische opsluiting genoemd.
Hier komt de tokamak om de hoek kijken. Tokamak is een Russiche afkorting: toroidalnaya kamera magnitnaya, ofwel torusvormige magnetische kamer (zie figuur 2).
Onderstaand het principe van de Tokamak:
Stellerator en traagheidsopsluiting
De tokamak werd door de Russen al in 1958 gepresenteerd. Inmiddels dus al een relatief oud concept. Zijn er dan alternatieven? Die zijn er zeker, alleen lopen ze achter in ontwikkeling ten opzichte van de tokamak. Het eerste alternatief is de stellerator. Deze maakt ook gebruik van spoelen. De spoelen zijn echter in een ’exotische’ manier geconfigureerd (zie figuur 4).
Het plasma blijft binnen de gewenste grenzen door de configuratie. De geometrisch ingewikkelde spoelen zijn alleen moeilijk te maken. Waar liggen dan de voordelen? Het grote voordeel is dat een transformator (+ juk) niet meer nodig is, waardoor het geheel veel compacter gemaakt kan worden. Een ander voordeel is dat er gedurende langere tijd een goed plasma kan worden gerealiseerd. Dit komt omdat er voor langere tijd een toenemende stroom geleverd kan worden.
De tweede mogelijkheid, traagheidsopsluiting, maakt gebruik van een heel ander principe. Hier wordt gebruik gemaakt van de traagheid van de materie. Kleine bolletjes materiaal worden met een laserbundel beschoten. De bundel zorgt ervoor dat het het buitenste laagje van het bolletje verdampt. Het verdampte materiaal zal naar buiten vliegen, maar als reactie een inwaartse kracht geven. Deze kracht zal het resterende materiaal naar binnen drukken, waardoor de temperatuur en druk hoog genoeg gworden om de reactie te initiëren.
Het ’tripelproduct’
Een parameter voor de prestaties van een fusiereactor is het zogenaamde tripelproduct. Van belang bij het fusieplasma is de temperatuur, de dichtheid en de tijd dat de warmte in het plasma kan worden vastgehouden. Het product van deze drie factoren is het tripelproduct. Het huidig haalbare tripelproduct is nog een factor 6 te laag voor een werkende fusiecentrale. Het hoogst behaalde tripelproduct is behaald door JET, oftewel de Joint European Torus. Deze 4 meter hoge torus heeft het record fusie-energie opwekking: 16 MW in één seconde!
Fysische uitdagingen in fusieonderzoek
Zoals je inmiddels wel begrepen hebt, is kernfusie een uitdagende en moeilijke technologie. Waar liggen op dit moment de grootste fysische uitdagingen? Drie problemen zullen hieronder in het kort toegelicht worden.
- Zoals hierboven ook al is beschreven, vormt de interactie tussen het plasma en de wand een probleem. Het gedrag van het plasma moet dus goed begrepen worden en verwerkt in de magneetconfiguraties. Dit heeft tot gevolg dat er ingewikkelde structuren ontwikkeld moeten worden, denk maar aan de stellerator.
- Een tweede probleem is de stabiliteit van het plasma. In het plasma treedt turbulentie op met als gevolg warmteverliezen. Prof. Lopes Cardozo doet onderzoek op het gebied van turbulenties in het plasma. Hierbij wordt vooral gekeken naar de relatie tussen turbulentie en geometrische resonanties van het magneetveld. Geometrische resonanties zijn veranderingen van de veldlijnen in het magneetveld. Deze veranderingen vinden plaats door verstoringen (in dit geval dus turbulentie). Er is een verband aangetoond tussen turbulente lagen in het plasma en resonanties van het magneetveld.
- Tenslotte is het ontwikkelen van geschikte materialen voor de wand ook erg belangrijk. De grote hoeveelheid neutronen die op de wand inslaan, maken de wand radioactief. Een goede keuze van materiaal moet dit tot een zo laag mogelijke waarde beperken. Uiteraard moet het materiaal ook stralingsbestendig zijn. Materiaalonderzoek voor kernfusie vindt onder andere plaats bij het NRG in Petten. Daar worden in de hoge-flux reactor testen gedaan naar dit soort materiaaleigenschappen.
Kernfusie, dé oplossing?
Een groot voordeel van kernfusie ten opzichte van kernsplijting is dat het proces niet uit de hand kan lopen. Er vindt geen kettingreactie plaats. Natuurlijk gaat het opwekken van deze gigantische energieën wel gepaard met het produceren van radioactief afval. Bij kernfusie wordt dit afval niet bij de fusiereactie zelf geproduceerd, maar bij de interactie tussen de neutronen en de wand. Dit radioactieve materiaal levert echter minder problemen op bij opslag en verwerking.
Ook met het oog op de grote voorraden lithium (om tritium te produceren) en deuterium lijkt kernfusie een geschikte methode om het energietekort op een acceptabele manier te lijf te gaan.
Niek Lopes Cardozo
Niek Lopes Cardozo is hoofd kernfusieonderzoek aan het FOM-instituut voor plasmafysica Rijnhuizen (Nieuwegein) en hoogleraar plasmafysica aan de Technische Universiteit Eindhoven. Lopes Cardozo (1957) studeerde experimentele natuurkunde in Utrecht, promoveerde (1985) op onderzoek op het gebied van kernfusie en spendeerde enkele jaren bij het gezamenlijke Europese project JET. Sinds eind jaren 80 is hij weer op het FOM-instituut voor plasmafysica 'Rijnhuizen'. Als Head of Research Unit Euratom-FOM vertegenwoordigt hij het Nederlandse fusie-onderzoek in diverse Europese comité's. Met de door hem ontwikkelde 'Fusion Road Show' gaat hij met scholieren in debat over het energieprobleem en de mogelijke rol van fusie in de oplossing ervan. In november 2003 ontving prof. Lopes Cardozo de Koninklijke/Shell prijs. Deze prijs wordt jaarlijks uitgereikt aan iemand die een belangrijke bijdrage heeft geleverd op het gebied van duurzame ontwikkeling en energie. Op de Woudschotenconferentie van 12 december 2003 gaf prof. Lopes Cardozo een presentatie over kernfusie en wat daar al zoal bij komt kijken.
