Kernfusie

Kernfusie is in de natuurkunde het samensmelten van atoomkernen, waarbij een zwaardere atoomkern met een hoger atoomnummer (en dus een ander chemisch element) wordt gevormd. Als lichte atomen zoals deuterium, een isotoop van waterstof, samensmelten, is de natuurkundige wet van behoud van massa niet van toepassing, omdat een deel van de interne bindingsenergie vrijkomt. Deze bindingsenergie maakt een meetbaar deel uit van de massa van een atoomkern, in overeenstemming met Einsteins formule: E = mc² (massa en energie kunnen in elkaar worden omgezet). De nieuwgevormde atoomkernen zijn hierdoor samen lichter dan de som van de massa's van de oorspronkelijke lichte kernen. Omdat de vrijgekomen energie gelijk is aan de verloren bindingsenergie, blijft bij kernfusie de wet van behoud van energie wel gelden.  

Het fuseren van zwaardere atomen kost energie. De overgang tussen 'licht' en 'zwaar' ligt in dit verband bij het element ijzer.

Achtergrond 
Voordat in 1938 de Duitse fysicus Hans Bethe het idee opperde dat de zon en de sterren hun energie opwekken door kernfusie, was het een raadsel waar al die energie vandaan kwam. Alle in die tijd bekende chemische reacties leverden daarvoor veel te weinig energie op. De zon zet per seconde ongeveer 700 miljoen ton waterstof via kernfusie om in circa 695 miljoen ton helium. Het massaverlies, rond de 4,4 miljoen ton, komt overeen met de vrijgekomen bindingsenergie. In lichte sterren (zoals de zon) verloopt de kernfusie van waterstofatomen volgens de proton-protoncyclus, in zwaardere volgens de koolstof-stikstofcyclus. In oudere sterren volgt na het opbranden van de beschikbare waterstof vaak het triple-alfaproces, waarbij uiteindelijk koolstof wordt gevormd.

Omdat atoomkernen positief geladen zijn, stoten ze elkaar elektrostatisch af - pas als de kernen elkaar heel dicht naderen wordt de (aantrekkende) sterke kernkracht belangrijk genoeg om tot kernfusie te leiden. Alleen bij extreem hoge temperatuur en druk, zoals die heersen in het middelpunt van sterren, hebben de deeltjes voldoende energie om de afstotende elektrostatische kracht te overwinnen. 

Op aarde zijn zulke omstandigheden niet eenvoudig na te bootsen, en technologische toepassing van het kernfusieprincipe is dan ook niet wijdverbreid. Kernfusie heeft echter wel een enorm potentieel als energiebron, omdat er grote hoeveelheden lichte kernen op aarde aanwezig zijn (met name waterstof en isotopen daarvan), waardoor de brandstof vrijwel eindeloos voorradig is. Daarnaast komen er geen broeikasgassen vrij en minder radioactief afval dan bij kernsplijting. Daarom proberen wetenschappers kernfusie op aarde te ontwikkelen als schone en veilige energiebron. Hoewel hiermee grote vorderingen gemaakt zijn en de omstandigheden voor kernfusie inmiddels routinematig kunnen worden gecreëerd in gespecialiseerde laboratoria, is er anno 2020 nog geen prototype dat daadwerkelijk energie produceert. Zie fusie-energie voor meer informatie over dit onderwerp.

Daarnaast levert bij vrijwel alle huidige kernwapens kernfusie de meeste energie, behalve eventueel bij een splijting-fusie-splijting ontwerp (zie: waterstofbom). Hierbij creëert een bom gebaseerd op kernsplijting de extreme omstandigheden die nodig zijn om de fusie-reactie in gang te zetten en fungeert dus in feite als de ontsteker. Dit proces is echter niet eenvoudig in te zetten voor vreedzame toepassingen of energieopwekking.

Kernreactie

Bij de kernfusie die in fusiereactoren en kernwapens toegepast wordt, worden een deuteriumkern (waterstof met één neutron) en een tritiumkern (waterstof met twee neutronen) omgezet in een helium-4-kern, een neutron en een grote hoeveelheid energie (17,6 MeV):

^2_1H\ +\ ^3_1H\ ->\ ^4_2He\ +\ ^1_0n\ +\ 17{,}6\ MeV

Tritium komt in tegenstelling tot deuterium bijna niet voor in de natuur. Het kan in een lithiummantel om de fusiereactor gekweekt worden met neutronen:
^6_3Li\ +\ ^1_0n\ ->\ ^4_2He\ +\ ^3_1H

Om kernen te laten samensmelten is een grote hoeveelheid kinetische energie nodig om de kernen bij elkaar te brengen, die al van hun elektronenschillen ontdaan moeten zijn. Een gas dat bestaat uit positief geladen atoomkernen en negatieve vrije elektronen is een plasma, ook wel de 'vierde aggregatietoestand' genoemd. Pas wanneer de kernen dicht genoeg bij elkaar komen krijgt de aantrekkende sterke kernkracht er vat op, kan de afstotende kracht tussen positieve kernladingen overwonnen worden en vindt er fusie plaats. Waterstofisotopen hebben hiervoor in principe voldoende snelheid bij ca. 15 miljoen K. Voor een acceptabele fusieopbrengst moet de temperatuur echter nog ongeveer tien keer zo hoog liggen, circa 150 miljoen K.

Om de atomen onder aardse omstandigheden zo heet te krijgen dat ze een plasma worden, wordt er een elektrische stroom door het gas gestuurd of worden de atoomkernen bestraald met microgolfstraling.

Magnetische opsluiting
Geen enkel materiaal kan de voor fusie benodigde temperaturen weerstaan. In de fusiereactor moet het plasma dus altijd op veilige afstand worden gehouden van de wand. Om hiervoor te zorgen wordt het plasma vastgehouden in een magnetisch veld: atoomkernen zijn positief geladen en de lorentzkracht op de kernen zorgt ervoor dat het plasma in het magnetisch veld een min of meer cirkel- of spiraalvormige baan rond de veldlijnen gaat beschrijven. Het magneetveld is zo gevormd dat kernen die uit de cirkel willen ontsnappen, daarin door de lorentzkracht worden teruggeduwd.
Voorbeelden van machines die volgens dit principe werken, zijn de tokamak, de stellarator en de polywell.

Traagheidsopsluiting
Bij een tweede methode om tot beheerste kernfusie te komen worden kleine holle bolletjes, gevuld met een deuterium-tritium mengsel, van meerdere kanten beschoten met hoogvermogen energiebundels (lasers). De buitenzijde van het bolletje ontploft, waardoor de inhoud wordt gecomprimeerd, zodat kernfusie kan optreden. Tientallen bolletjes zouden op deze manier per seconde tot kernfusie moeten worden gebracht om tot een substantiële energieopbrengst te komen. Met name in de VS wordt met deze methode geëxperimenteerd. Rekenprogrammatuur die voor de compressie van de bolletjes wordt gebruikt, komt overeen met die welke bij de ontwikkeling van waterstofbommen wordt toegepast. De laserapparatuur die bij dit type onderzoek wordt gebruikt, is omvangrijk. Deze route naar beheerste kernfusie voor grootschalige elektriciteitsopwekking heeft mondiaal gezien niet de grootste prioriteit.

Wetenschappelijk onderzoek
Het doel van het internationale fusieonderzoek is het realiseren van een prototype fusie-energiecentrale die voldoet aan de eisen die de maatschappij daaraan stelt: veilig, betrouwbaar, ruim voorradige brandstof, minimale milieubelasting en economisch rendabel. In het laatste decennium is er belangrijke wetenschappelijke en technische vooruitgang geboekt in het fusieonderzoek. Het grote probleem is altijd geweest hoe de reactie 'op te sluiten'. Bij de meeste experimentele installaties wordt daarbij het hiervoor genoemde principe van magnetische opsluiting gebruikt. De implementatie hiervan is technisch een grote uitdaging.

In 1979 werd in Groot-Brittannië de bouw begonnen van de Joint European Torus (JET) en in 1983 werd deze in bedrijf genomen. JET was de eerste tokamak ter wereld waarin met de echte fusiebrandstof, deuterium en tritium, gewerkt werd. In deze centrale is het gelukt 16 megawatt aan vermogen op te wekken, maar om zover te komen was 25 megawatt nodig om het plasma te verhitten. Hoewel er dus een negatieve netto-energieproductie was, is JET wel nog steeds wereldrecordhouder opwekking fusie-energie.

Sinds 2006 werkt de fusie-gemeenschap aan een groot internationaal fusie-experiment, ITER. ITER staat voor International Thermonuclear Experimental Reactor, en is een project tussen de Europese Unie, Rusland, de VS, Japan, China, India en Zuid-Korea. ITER, die naar verwachting rond 2035 in bedrijf komt, moet aantonen dat fusie op aarde toe te passen is als energiebron. ITER zal 500 megawatt produceren, tienmaal meer dan nodig om de reactie op gang te houden. De reactor wordt in Cadarache in Zuid-Frankrijk gebouwd.

Een aantal wetenschappers doet onderzoek naar koude kernfusie, kernfusie bij kamertemperatuur. Tot nu toe blijken hun pogingen niet reproduceerbaar, en deze lijn van onderzoek wordt weinig serieus genomen. Wetenschappers Pons en Fleischmann claimden eind jaren tachtig dat zij fusiereacties hadden waargenomen bij elektrochemische reacties. In 2002 claimde dr. Taleyarkhan kernreacties bij sonoluminescentieproeven in gedeutereerd aceton, waarbij minieme luchtbelletjes in een vloeistof krachtig ineenklappen. Beide methoden zijn onbewezen.

Magnetische opsluiting zou ook kunnen worden bereikt door het aanmaken van plasmoïden. Dit zijn torusvormige "wolken" plasma die hun eigen magnetische veld voor korte tijd in stand kunnen houden. Machines die dit principe toepassen, worden aangeduid met de Engelse benaming Dense Plasma Focus (DPF). De toepassing van deze machines om elektriciteit op te wekken met behulp van een aneutronische fusiereactie tussen protonen en boor-11-ionen, wordt ook wel Focus fusion genoemd. Of deze methode in de praktijk zal werken als energiebron, moet nog worden aangetoond. Hier wordt onderzoek naar gedaan in de Verenigde Staten.

Benelux
In Nederland werken het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) en de Nuclear Research & consultancy Group (NRG) aan kernfusie. In België wordt fusie-onderzoek gedaan bij het Laboratorium voor Plasmafysica van de Koninklijke Militaire School te Brussel.

Zie ook

Externe links
 The European Fusion Education Network (FuseNet)
 Fusiegroep van de Technische Universiteit Eindhoven
 Dutch Institute for Fundamental Energy Research
 Studiecentrum voor Kernenergie SCK.CEN, Mol, België
 ITER-NL, portal voor de Nederlandse industrie
 Kernfusie: de eeuwige belofte Artikel verschenen in De Ingenieur. 

 
Nucleaire chemie