Heeft thermonucleaire energie een toekomst?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Al meer dan een halve eeuw proberen wetenschappers op aarde een machine te bouwen waarin, net als in de ingewanden van sterren, een thermonucleaire reactie plaatsvindt. De technologie van gecontroleerde thermonucleaire fusie belooft de mensheid een bijna onuitputtelijke bron van schone energie. Sovjetwetenschappers stonden aan de basis van deze technologie - en nu helpt Rusland bij het bouwen van de grootste fusiereactor ter wereld.

De delen van de kern van een atoom worden bij elkaar gehouden door een kolossale kracht. Er zijn twee manieren om het vrij te geven. De eerste methode is om de splijtingsenergie te gebruiken van grote zware kernen van het verste uiteinde van het periodiek systeem: uranium, plutonium. Bij alle kerncentrales op aarde is de energiebron juist het verval van zware kernen.

Maar er is ook een tweede manier om de energie van het atoom vrij te maken: niet om de kernen te delen, maar juist om ze samen te voegen. Bij het samensmelten komt er bij sommige zelfs meer energie vrij dan bij splijtbare uraniumkernen. Hoe lichter de kern, hoe meer energie er vrijkomt tijdens fusie (zoals ze zeggen, fusie), dus de meest effectieve manier om de energie van kernfusie te krijgen, is door de kernen van het lichtste element - waterstof - en zijn isotopen te laten samensmelten.

Handster: solide pluspunten

Kernfusie werd in de jaren dertig ontdekt door de processen te bestuderen die plaatsvinden in het binnenste van sterren. Het bleek dat kernfusiereacties plaatsvinden in elke zon, en licht en warmte zijn de producten ervan. Zodra dit duidelijk werd, bedachten wetenschappers hoe ze konden herhalen wat er in de ingewanden van de zon op aarde gebeurt. Vergeleken met alle bekende energiebronnen heeft de "handzon" een aantal onbetwistbare voordelen.

Ten eerste dient gewone waterstof als brandstof, waarvan de reserves op aarde vele duizenden jaren zullen duren. Zelfs rekening houdend met het feit dat de reactie niet de meest voorkomende isotoop, deuterium, vereist, is een glas water voldoende om een kleine stad een week van elektriciteit te voorzien. Ten tweede produceert de kernfusiereactie, in tegenstelling tot de verbranding van koolwaterstoffen, geen giftige producten - alleen het neutrale gas helium.

Voordelen van fusie-energie

Bijna onbeperkte brandstofvoorraad. In een fusiereactor werken waterstofisotopen - deuterium en tritium - als brandstof; je kunt ook de isotoop helium-3 gebruiken. Er is veel deuterium in zeewater - het kan worden verkregen door conventionele elektrolyse, en de reserves in de wereldoceaan zullen ongeveer 300 miljoen jaar meegaan bij de huidige vraag van de mensheid naar energie.

Er is veel minder tritium in de natuur, het wordt kunstmatig geproduceerd in kernreactoren - maar er is heel weinig nodig voor een thermonucleaire reactie. Er is bijna geen helium-3 op aarde, maar er is veel in de maanbodem. Als we op een dag thermonucleaire kracht hebben, zal het waarschijnlijk mogelijk zijn om naar de maan te vliegen om er brandstof voor te krijgen.

Geen explosies. Het kost veel energie om een thermonucleaire reactie te creëren en in stand te houden. Zodra de energietoevoer stopt, stopt de reactie en houdt het tot honderden miljoenen graden verwarmde plasma op te bestaan. Daarom is een fusiereactor moeilijker aan te zetten dan uit te schakelen.

Lage radioactiviteit. Een thermonucleaire reactie produceert een stroom van neutronen die worden uitgestoten door de magnetische val en worden afgezet op de wanden van de vacuümkamer, waardoor deze radioactief wordt. Door een speciale "deken" (deken) rond de plasma-perimeter te creëren, die neutronen afremt, is het mogelijk om de ruimte rond de reactor volledig te beschermen. De deken zelf wordt na verloop van tijd onvermijdelijk radioactief, maar niet voor lang. Als je het 20-30 jaar laat rusten, kun je weer materiaal krijgen met een natuurlijke achtergrondstraling.

Geen brandstoflekkage. Er is altijd een risico op brandstoflekkage, maar een fusiereactor heeft zo weinig brandstof nodig dat zelfs een volledig lek het milieu niet bedreigt. De lancering van ITER zou bijvoorbeeld slechts ongeveer 3 kg tritium en een beetje meer deuterium vereisen. Zelfs in het ergste geval zal deze hoeveelheid radioactieve isotopen snel in water en lucht verdwijnen en niemand schade berokkenen.

Geen wapens. Een thermonucleaire reactor produceert geen stoffen die kunnen worden gebruikt om atoomwapens te maken. Daarom is er geen gevaar dat de verspreiding van thermonucleaire energie zal leiden tot een nucleaire race.

Hoe de "kunstmatige zon" in het algemeen moet worden verlicht, werd al in de jaren vijftig van de vorige eeuw duidelijk. Aan beide zijden van de oceaan werden berekeningen uitgevoerd die de belangrijkste parameters van een gecontroleerde kernfusiereactie bepalen. Het zou moeten gebeuren bij een enorme temperatuur van honderden miljoenen graden: onder dergelijke omstandigheden worden elektronen van hun kernen afgescheurd. Daarom wordt deze reactie ook wel thermonucleaire fusie genoemd. Kale kernen, die met halsbrekende snelheden op elkaar botsen, overwinnen de Coulomb-afstoting en fuseren.

Problemen en oplossingen

Het enthousiasme van de eerste decennia botste tegen de ongelooflijke complexiteit van de taak. Het lanceren van thermonucleaire fusie bleek relatief eenvoudig te zijn - als het gedaan werd in de vorm van een explosie. Atollen in de Stille Oceaan en Sovjet-testlocaties in Semipalatinsk en Nova Zembla ondervonden al in het eerste naoorlogse decennium de volle kracht van een thermonucleaire reactie.

Maar het gebruik van deze kracht, behalve voor vernietiging, is veel moeilijker dan het tot ontploffing brengen van een thermonucleaire lading. Om thermonucleaire energie te gebruiken om elektriciteit op te wekken, moet de reactie op een gecontroleerde manier worden uitgevoerd, zodat energie in kleine porties vrijkomt.

Hoe je dat doet? De omgeving waarin een thermonucleaire reactie plaatsvindt, wordt een plasma genoemd. Het is vergelijkbaar met gas, alleen in tegenstelling tot normaal gas bestaat het uit geladen deeltjes. En het gedrag van geladen deeltjes kan worden gecontroleerd met behulp van elektrische en magnetische velden.

Daarom is een thermonucleaire reactor in zijn meest algemene vorm een plasmastolsel dat gevangen zit in geleiders en magneten. Ze voorkomen dat het plasma ontsnapt en terwijl ze dit doen, smelten atoomkernen samen in het plasma, waardoor energie vrijkomt. Deze energie moet uit de reactor worden verwijderd, gebruikt om het koelmiddel te verwarmen - en er moet elektriciteit worden verkregen.

Vallen en lekken

Plasma bleek de meest grillige stof te zijn waarmee mensen op aarde te maken kregen. Elke keer dat wetenschappers een manier vonden om één type plasmalek te blokkeren, werd er een nieuwe ontdekt. De hele tweede helft van de 20e eeuw werd besteed aan het leren om het plasma gedurende enige tijd in de reactor te houden. Dit probleem begon pas in onze tijd op te leveren, toen krachtige computers verschenen die het mogelijk maakten om wiskundige modellen van plasmagedrag te creëren.

Er is nog steeds geen consensus over welke methode het beste is voor plasma-opsluiting. Het bekendste model, de tokamak, is een donutvormige vacuümkamer (zoals wiskundigen zeggen, een torus) met plasmavallen binnen en buiten. Deze configuratie zal de grootste en duurste thermonucleaire installatie ter wereld hebben - de ITER-reactor die momenteel in aanbouw is in het zuiden van Frankrijk.

Naast de tokamak zijn er vele mogelijke configuraties van thermonucleaire reactoren: bolvormig, zoals in de St. Petersburg Globus-M, bizar gebogen stellarators (zoals de Wendelstein 7-X aan het Max Planck Instituut voor Nucleaire Fysica in Duitsland), laser traagheidsvallen, zoals de Amerikaanse NIF. Ze krijgen veel minder media-aandacht dan ITER, maar hebben ook hoge verwachtingen.

Er zijn wetenschappers die het ontwerp van de stellarator als fundamenteel succesvoller beschouwen dan de tokamak: het is goedkoper om te bouwen, en de plasma-opsluitingstijd belooft veel meer te geven. De winst in energie wordt geleverd door de geometrie van de plasmaval zelf, waardoor men zich kan ontdoen van de parasitaire effecten en lekken die inherent zijn aan de "donut". De lasergepompte versie heeft ook zijn voordelen.

De waterstofbrandstof daarin wordt door laserpulsen tot de vereiste temperatuur verwarmd en de fusiereactie begint vrijwel onmiddellijk. Plasma in dergelijke installaties wordt vastgehouden door traagheid en heeft geen tijd om te verspreiden - alles gebeurt zo snel.

De hele wereld

Alle thermonucleaire reactoren die tegenwoordig in de wereld bestaan, zijn experimentele machines. Geen van hen wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken. Geen van hen is er tot nu toe in geslaagd te voldoen aan het belangrijkste criterium voor een thermonucleaire reactie (het criterium van Lawson): meer energie krijgen dan werd besteed aan het creëren van de reactie. Daarom heeft de wereldgemeenschap zich gefocust op het gigantische ITER-project. Als bij ITER aan het Lawson-criterium wordt voldaan, zal het mogelijk zijn om de technologie te verfijnen en te proberen deze over te dragen naar commerciële spoorlijnen.

Geen enkel land ter wereld zou ITER alleen kunnen bouwen. Het heeft alleen 100 duizend km supergeleidende draden nodig, en ook tientallen supergeleidende magneten en een gigantische centrale solenoïde voor het vasthouden van plasma, een systeem voor het creëren van een hoog vacuüm in een ring, heliumkoelers voor magneten, controllers, elektronica … Daarom is de project bouwt 35 landen en meer tegelijk duizenden wetenschappelijke instituten en fabrieken.

Rusland is een van de belangrijkste landen die aan het project deelnemen; in Rusland worden 25 technologische systemen van de toekomstige reactor ontworpen en gebouwd. Dit zijn supergeleiders, systemen voor het meten van plasmaparameters, automatische regelaars en componenten van de divertor, het heetste deel van de binnenwand van de tokamak.

Na de lancering van ITER zullen Russische wetenschappers toegang hebben tot al zijn experimentele gegevens. De echo van ITER zal echter niet alleen in de wetenschap worden gevoeld: nu zijn er in sommige regio's productiefaciliteiten verschenen die in Rusland voorheen niet bestonden. Voor de start van het project was er bijvoorbeeld geen industriële productie van supergeleidende materialen in ons land en werd er slechts 15 ton per jaar over de hele wereld geproduceerd. Nu is het alleen in de mechanische fabriek van Chepetsk van het staatsbedrijf "Rosatom" mogelijk om 60 ton per jaar te produceren.

De toekomst van energie en daarbuiten

Het eerste plasma bij ITER zal naar verwachting in 2025 worden ontvangen. De hele wereld wacht op dit evenement. Maar één, zelfs de krachtigste, machine is niet alles. Over de hele wereld en in Rusland blijven ze nieuwe thermonucleaire reactoren bouwen, die zullen helpen om eindelijk het gedrag van plasma te begrijpen en de beste manier te vinden om het te gebruiken.

Al eind 2020 lanceert het Kurchatov Instituut een nieuwe tokamak T-15MD, die deel zal gaan uitmaken van een hybride installatie met nucleaire en thermonucleaire elementen. De neutronen, die worden gevormd in de thermonucleaire reactiezone, in de hybride installatie zullen worden gebruikt om de splijting van zware kernen - uranium en thorium - op gang te brengen. In de toekomst kunnen dergelijke hybride machines worden gebruikt om brandstof te produceren voor conventionele kernreactoren - zowel thermische als snelle neutronen.

Thorium redding

Vooral verleidelijk is het vooruitzicht om een thermonucleaire "kern" te gebruiken als een bron van neutronen om verval in thoriumkernen te initiëren. Er is meer thorium op de planeet dan uranium, en het gebruik ervan als nucleaire brandstof lost verschillende problemen van moderne kernenergie tegelijk op.

De vervalproducten van thorium kunnen dus niet worden gebruikt om militair radioactief materiaal te produceren. De mogelijkheid van een dergelijk gebruik dient als een politieke factor die kleine landen ervan weerhoudt hun eigen kernenergie te ontwikkelen. Thoriumbrandstof lost dit probleem voor eens en altijd op.

Plasmavallen kunnen niet alleen nuttig zijn in energie, maar ook in andere vreedzame industrieën - zelfs in de ruimte. Nu werken Rosatom en het Kurchatov Instituut aan componenten voor een elektrodenloze plasmaraketmotor voor ruimtevaartuigen en systemen voor plasmamodificatie van materialen. De deelname van Rusland aan het ITER-project stimuleert de industrie, wat leidt tot het ontstaan van nieuwe industrieën, die nu al de basis vormen voor nieuwe Russische ontwikkelingen.