Icon up Overzicht

Kernfusie

Onderwerp: Gas en vloeistof, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica, Sterrenkunde, Thermische processen

Momenteel laait de discussie rond kernenergie weer op. Er wordt onderzoek gedaan naar nieuwe technieken om geproduceerd radioactief materiaal opnieuw te gebruiken. Hoe staat het echter met kernfusie? Is dat een alternatief en hoever is het onderzoeksveld gevorderd?

Dit artikel maakt onderdeel uit van het thema "Kernfysica/radioactiviteit". Op de themapagina vind je meer lesmateriaal dat aansluit bij dit artikel.

Opwarmen

IJs smelt bij verwarmen. Water verdampt. Rond 5800 graden verdampt als één van de laatste stoffen: wolfraam. Dit is het metaal dat niet voor niets in de gloeidraad van een lamp wordt gebruikt. Na deze gedaanteverwisselingen blijft er een gas over, met vrij door elkaar bewegende moleculen, die elkaars aanwezigheid nauwelijks voelen. Nu kunnen de gasmoleculen verder worden verhit. Ze gaan dan steeds heftiger bewegen. Hoe warmer, hoe meer beweging. Bij heftige bewegingen breken moleculen uit elkaar in afzonderlijke atomen. Water valt bijvoorbeeld uiteen in waterstof- en zuurstofatomen. Bij 10 000 graden is daardoor alleen nog een gloeiende wolk afzonderlijke atomen over. Opwarmen bij deze temperaturen kost veel energie. Atomen stralen hun warmte namelijk snel weer uit. Dat uitstralen gebeurt via de elektronen, die rond de atoomkern cirkelen. Zij vangen warmte op door hun cirkelbaan aan te passen. Daarna stralen ze de opgevangen energie snel weer uit. Dat maakt opwarmen lastig. Het is alsof je een huis met openstaande ramen verhit.

Vast - vloeibaar - gas - plasma

Bij 100 000 graden lukt het voor sommige atomen niet meer om de elektronen, die rond de atoomkern cirkelen, vast te houden. Waterstof raakt zijn elektron kwijt. Bij 1 miljoen graden hebben ook koolstof en zuurstof elektronen verloren. Die temperatuur ligt nog een stuk hoger voor ijzer en nog zwaardere atomen. Het verlies van elektronen is gunstig voor het verdere verhitten, want de elektronen waren er de schuld van dat de ingestraalde warmte direct weer werd uitgestraald. Als de atomen hun elektronen verliezen, wordt de energie van de kachel dus beter benut. Bij een temperatuur van enkele miljoenen graden zijn de meeste atomen alle elektronen kwijt. Wat eerder nog een gas was van moleculen is nu dus een mengsel van vrij door elkaar bewegende atoomkernen en elektronen geworden. Deze toestand van de materie heet een plasma. Het is de vierde in het rijtje: vaste stof - vloeistof - gas - plasma. Op aarde komt plasma alleen op speciale plaatsen voor (in TL-buizen bijvoorbeeld).

Een uitbarsting op de zon laat zien hoe geladen deeltjes de veldlijnen van magneetvelden volgen. Bron: TRACE/ Lockheed Martin

Als de atomen hun elektronen eenmaal kwijt zijn, gaat het verder verhitten relatief gemakkelijk. Als je het gas nog warmer maakt, verandert er echter weinig. De temperatuur loopt op tot enkele tientallen miljoenen graden zonder dat de atomen nog veranderen. Wel worden hun onderlinge botsingen steeds heftiger, naarmate het warmer wordt. Meestal worden de atomen bij zo’n botsing snel weer teruggekaatst. Een atoomkern is immers positief geladen. Als twee positieve ladingen tegen elkaar komen, stoten ze elkaar af.

Sterke kernkracht

Op zeer korte afstand is ook de zogenaamde sterke kernkracht voelbaar. Dat is een aantrekkende kracht, die ervoor zorgt dat protonen en neutronen bij elkaar blijven in een atoomkern. Een enkele keer komen twee atoomkernen zo dicht bij elkaar, dat de sterke kernkracht een kans krijgt. De atoomkernen krijgen dan de mogelijkheid om samen te smelten. Twee protonen (waterstofatomen die hun elektronen verloren zijn en met alleen één proton in de kern zijn overgebleven) kunnen zo een heliumkern vormen (met twee protonen in de kern). Daarbij komt veel warmte vrij. Bij 150 miljoen graden is de warmteontwikkeling zo groot dat alle andere verhittingsbronnen uitgezet kunnen worden. Het waterstofplasma houdt zichzelf warm. Dat is precies de manier waarop de zon op temperatuur blijft. Daar gebeurt dat overigens bij veel lagere temperaturen, maar dat kan, omdat de druk in het hart van de zon gigantisch hoog is. Een elctriciteitscentrale die gebruik maakt van de warmte die bij kernfusie vrijkomt, is dat haalbaar?

De zon is één grote kernfusiemachine.

Tokamak

Om zo’n heet plasma enige tijd in een reactor bij elkaar te houden, moeten bijzondere technieken worden gebruikt. Je kunt zo’n experiment niet zomaar in een vat of tank uitvoeren, want geen enkel materiaal kan tegen de intense hitte. Bovendien zou het gas meteen weer afkoelen als het de koude wand raakt. Een mogelijkheid is bijvoorbeeld om de materie op te sluiten met een magneetveld. De constructie die hiervoor het meest gebruikt wordt, heet een tokamak. In zo’n tokamak worden verschillende technieken gebruikt om de atomen zo heet mogelijk te krijgen. Het begint bij een sterke stroomstoot, waardoor het waterstof direct al gloeiend heet is, zo’n tien miljoen graden. Dat is nog niet heet genoeg voor fusie. Daarna wordt de waterstofwolk verder verhit met een reusachtige magnetron. Uiteindelijk bereiken de atomen de temperatuur van zo’n 150 miljoen graden die nodig is om de reactor fusie-energie te laten produceren.

Een kijkje in het reactorvat van de JET. Bron: Jet Cullham.

Het is tegenwoordig de gewoonste zaak van de wereld om deze temperatuur te bereiken. Het kan zelfs nog wel twee tot drie keer zo warm. Het probleem is om de atoomkernen dicht bij elkaar te houden, hoe hoger de druk hoe beter de fusie verloopt.

Ons land neemt deel aan fusieonderzoek met de Joint European Torus (JET), een Europese proefinstallatie in Groot-Brittannië. In deze centrale is het gelukt om 16 megawatt op te wekken, ongeveer 5 procent van het vermogen van een gewone Nederlandse elektriciteitscentrale. Zo'n 25 megawatt was echter nodig om zover te komen. Er was dus geen netto energieproductie, maar dat was ook niet het doel van dit experiment. Hoe groot de JET ook is, het is slechts een schaalmodel van een centrale die echt energie kan produceren. Natuurkundigen denken dat een installatie die 2,5 keer zo groot is als de JET ongeveer 1000 megawatt oplevert, evenveel als twee gewone Nederlandse elektriciteitscentrales. Internationaal worden plannen gemaakt om zo’n centrale te bouwen. De bouwschetsen voor deze International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) zijn al gemaakt.

Nu is zo’n fusiecentrale naar verwachting nog erg duur, maar er worden constant technieken ontwikkeld waarmee fusie goedkoper moet kunnen worden. Echt goedkoop zal het wel nooit worden. Maar als olie en kolen schaarser worden, hebben we misschien meer geld voor onze elektriciteit over.

De tekst is een bewerking van het artikel: "De heetste deeltjes" uit Op avontuur in de wetenschap, Bram Vermeer. Uitgever Stichting FOM, Utrecht ISBN 90-803011-3-2