Stel je voor dat je een energiebron hebt die zo schoon, veilig, duurzaam en krachtig is dat je nooit meer hoeft te piekeren over klimaatverandering, kernafval, fossiele brandstoffen of energierekeningen. Klinkt dat niet als een droom? Nou, misschien wordt die droom ooit werkelijkheid dankzij kernfusie.
Kernfusie is een proces waarbij twee lichte atoomkernen samensmelten tot een zwaardere kern. Daarbij komt veel energie vrij. Deze energie gebruikt de zon al miljarden jaren om ons te verwarmen en te verlichten. Maar kunnen wij mensen dit ook gebruiken om onze energieproblemen op te lossen? In dit artikel lees je wat kernfusie is, hoe het werkt, wat de voor- en nadelen zijn, en hoe ver we zijn met het ontwikkelen van een werkende kernfusiereactor.
Wat is kernfusie?
Kernfusie is een vorm van kernenergie. Kernenergie is energie die vrijkomt bij het veranderen van atoomkernen. Er zijn twee manieren om dat te doen: kernsplijting en kernfusie. Bij kernsplijting splitst een zware atoomkern in twee lichtere kernen. Dit gebeurt bijvoorbeeld in een kerncentrale of een atoombom. Bij kernfusie gebeurt het omgekeerde: twee lichte atoomkernen smelten samen tot een zwaardere kern. Dit gebeurt bijvoorbeeld in de zon of een waterstofbom.
De meest gebruikte atoomkernen voor kernfusie zijn waterstofisotopen: deuterium en tritium. Deuterium is een waterstofatoom met één proton en één neutron in de kern. Tritium is een waterstofatoom met één proton en twee neutronen in de kern. Als deze twee kernen botsen, ontstaat er helium: een atoom met twee protonen en twee neutronen in de kern. Daarbij komt ook een neutron vrij, dat veel energie heeft.
De energie die vrijkomt bij kernfusie kan je berekenen met de beroemde formule van Einstein: E = mc^2. Dit betekent dat energie (E) gelijk is aan massa (m) vermenigvuldigd met het kwadraat van de lichtsnelheid ©. Hierbij verliest de nieuwe atoomkern een beetje massa, die wordt omgezet in energie. Deze energie is enorm: één gram fusiemateriaal levert evenveel energie op als acht ton steenkool.
Hoe werkt kernfusie?
Om kernfusie te laten plaatsvinden, moeten de atoomkernen heel dicht bij elkaar komen. Dat is niet makkelijk, want ze hebben allebei een positieve elektrische lading. Dat betekent dat ze elkaar afstoten als ze te dichtbij komen. Om deze afstoting te overwinnen, moeten de kernen heel hard tegen elkaar aan botsen. Dat kan alleen als ze heel heet en snel zijn.
De temperatuur die nodig is voor kernfusie is ongeveer 100 miljoen graden Celsius. Dat is veel heter dan het oppervlak van de zon, dat ongeveer 6000 graden Celsius is. Bij zo’n hoge temperatuur verandert het fusiemateriaal in plasma: een gasvormige toestand waarbij de elektronen losraken van de kernen. Het plasma moet ook onder hoge druk staan om de dichtheid hoog genoeg te maken voor voldoende botsingen.
Om het plasma zo heet en dicht te houden, moet je het insluiten in een speciale ruimte. Dat kan niet met gewone materialen, want die zouden smelten of verdampen door de hitte. Daarom gebruik je magnetische velden om het plasma te sturen en te isoleren van de wanden. Dit heet magnetische opsluiting.
Een apparaat dat magnetische opsluiting gebruikt voor kernfusie heet een tokamak. Een tokamak heeft de vorm van een donut of een ring. Het plasma stroomt rond in deze ring, terwijl je het verwarmt en samendrukt door elektrische stromen en magnetische spoelen. Een tokamak moet zo groot mogelijk zijn om het plasma stabiel te houden en warmteverlies te voorkomen.
Wat zijn de voordelen?
Kernfusie heeft veel potentiële voordelen als energiebron voor de mensheid. Hier zijn enkele voorbeelden:
- Kernfusie is schoon: er komt geen CO2 of andere broeikasgassen vrij bij het proces. Dit kan helpen om klimaatverandering tegen te gaan.
- Kernfusie is veilig: er is geen risico op een kettingreactie of een meltdown zoals bij kernsplijting. Ook is er geen radioactief afval dat langdurig opgeslagen moet worden.
- Kernfusie is duurzaam: er is genoeg fusiemateriaal op aarde om miljoenen jaren mee te doen. Deuterium kan je winnen uit zeewater en tritium kan je maken uit lithium, dat ook ruim voorradig is.
- Kernfusie is krachtig: één gram fusiemateriaal levert evenveel energie op als acht ton steenkool. Met één liter zeewater kan je evenveel energie opwekken als met 300 liter benzine.
Wat zijn de nadelen van kernfusie?
Kernfusie heeft ook enkele uitdagingen en nadelen die overwonnen moeten worden voordat het een praktische energiebron kan worden. Hier zijn enkele voorbeelden:
- Kernfusie is moeilijk: het vergt veel technische kennis en vaardigheid om het plasma zo heet en dicht te houden dat er meer energie uitkomt dan erin gaat. Dit heet ook wel het breakeven punt. Dit is nog nooit bereikt door een tokamak op aarde.
- Kernfusie is duur: het bouwen en onderhouden van een tokamak kost veel geld en materiaal. Ook moet je rekening houden met de veiligheid en het milieu. Een tokamak is geen apparaat dat je zomaar in je achtertuin kan zetten.
- Kernfusie is niet helemaal schoon: hoewel er geen radioactief afval ontstaat bij het proces zelf, kan er wel straling vrijkomen door neutronen die tegen de wanden botsen. Deze wanden kunnen daardoor ook radioactief worden na verloop van tijd. Je moet dus zorgen voor een goede afscherming en afvoer van deze materialen.
- Kernfusie is niet onbeperkt: hoewel er genoeg fusiemateriaal op aarde is voor miljoenen jaren, kan er wel schaarste ontstaan als de vraag naar energie blijft stijgen. Je moet dus ook kijken naar andere vormen van duurzame energie, zoals zonne-energie, windenergie of waterkracht.
Hoe ver zijn we met kernfusie?
Kernfusie wordt al sinds de jaren 1950 onderzocht door wetenschappers over de hele wereld. Er zijn verschillende experimentele tokamaks gebouwd om het proces te testen en te verbeteren. De meest bekende zijn JET in Engeland, TFTR in Amerika, Tore Supra in Frankrijk en KSTAR in Zuid-Korea.
De meest ambitieuze tokamak die nu in aanbouw is heet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Dit is een internationaal project waar meer dan 30 landen aan meewerken, waaronder Nederland. ITER wordt gebouwd in Zuid-Frankrijk en moet klaar zijn in 2025.
Het doel van ITER is om aan te tonen dat kernfusie haalbaar en veilig is als energiebron op grote schaal. ITER moet minstens tien keer meer energie produceren dan erin gaat (Q=10). Ook moet ITER langdurige fusiereacties kunnen onderhouden (tot 1000 seconden).
Als ITER slaagt, zal er een volgende stap gezet worden naar DEMO (DEMOnstration Power Plant). Dit moet een prototype worden van een echte commerciële kernfusiereactor die elektriciteit kan leveren aan het netwerk.
Het duurt dus nog wel even voordat we kunnen profiteren van kernfusie als energiebron voor iedereen. Maar als we blijven investeren in onderzoek en ontwikkeling, kan kernfusie misschien wel de oplossing zijn voor onze toekomstige energievraag.
Samenvatting
Kernfusie is een proces waarbij twee lichte atoomkernen samensmelten tot een zwaardere kern, waarbij veel energie vrijkomt. Het heeft veel potentiële voordelen als energiebron, maar ook veel uitdagingen en nadelen. Het wordt al decennia lang onderzocht door wetenschappers over de hele wereld. De meest ambitieuze tokamak die nu in aanbouw is heet ITER. Het duurt dus nog wel even voordat we kunnen profiteren van kernfusie als energiebron voor iedereen.
