Vormt kernfusie het antwoord?
Een atoomgeleerde analyseert openhartig welke hinderpalen uit de weg geruimd moeten worden voordat kernfusie gebruikt kan worden om in onze energiebehoeften te voorzien
ONGETWIJFELD is de gedachte om ooit eens het proces van kernfusie te kunnen beheersen, zeer aanlokkelijk. Zelfs als wij maar één van de verschillende fusiereacties zouden kunnen uitvoeren, stel die waarbij twee deuteriumatomen betrokken zijn (No. 4 in het schema op bladzijde 20), dan zouden wij daarmee een onmetelijke voorraad brandstof aangeboord hebben. Overal ter wereld, ook in de enorme oceanen, bevat één op iedere 3000 watermoleculen een atoom deuterium. Denk u eens in! In een halve liter water ligt de mogelijkheid opgesloten om 400 kilowattuur aan elektrische energie te leveren, genoeg om uw gezin een maand lang van elektriciteit te voorzien. En wij zouden verlost zijn van de groeiende bergen radioactieve splijtingsprodukten uit de huidige kerncentrales. Is dit geen veelbelovende oplossing voor het energieprobleem?
In het zogenoemde cyclotron kan men deze reacties voortreffelijk bestuderen, maar dat apparaat is niet geschikt om de energie in een bruikbare vorm te produceren. Het kost heel wat energie om miljoenen deeltjes zo snel te laten bewegen dat ze reacties kunnen aangaan, maar slechts een paar van hen treffen andere atomen en leveren daarbij meer energie dan ze hadden meegekregen; alle andere staan hun energie in kleine porties af en brengen niets tot stand. Er wordt veel meer energie in het experiment gestopt dan eruit kan worden teruggewonnen.
Dat dit in de zon wel lukt, komt doordat haar inwendige zo heet is dat de deeltjes van botsing tot botsing hun hoge snelheid behouden, totdat ze ten slotte een reactie aangaan. U kunt dus begrijpen waarom het zo moeilijk is op aarde een bruikbaar fusieproces tot stand te brengen. Op de een of andere manier moeten wij een deel van het inwendige van de zon namaken. Maar hoe kan men een hoeveelheid waterstofatomen tot een temperatuur van miljoenen graden verhitten en ze bijeenhouden totdat er reacties plaatsvinden? Geen enkel bekend materiaal zou dat kunnen. De stoffen die nog het best bestand zijn tegen hoge temperaturen, smelten en verdampen bij enkele duizenden graden.
Het is waar dat geleerden op aarde de kracht van kernfusie hebben gedemonstreerd, maar alleen in de explosie van de geduchte waterstofbom. Natuurlijk wordt alles in en rondom de bom verdampt en in een fractie van een seconde weggeblazen. Hoe zou iemand ooit een dergelijk wild geweld kunnen temmen en zijn kracht bruikbaar kunnen maken?
Fusie in magnetische opsluiting
Hoe onmogelijk het ook schijnt, er is een manier waarop het schijnbaar onoverkomelijke probleem misschien overwonnen kan worden, namelijk door gebruik te maken van magnetische thermische isolatie. Dit gaat als volgt in zijn werk. De waterstof wordt door elektrische ontlading tot zo’n hoge temperatuur verhit dat ze volledig geïoniseerd wordt. Ze bestaat dan uitsluitend uit positieve kernen en negatieve elektronen. Een stof in deze toestand wordt een plasma genoemd. Wordt een plasma omgeven door een sterk magnetisch veld, dan kunnen de geladen deeltjes of ionen zich niet recht vooruit bewegen, maar zijn ze gedwongen nauwe spiraalvormige banen te volgen. Indien het magnetische veld de juiste vorm heeft, zullen deze spiraalvormige, kurketrekkervormige banen tegen de twee uiteinden van het vat worden teruggekaatst, waardoor dit vat een „magnetische fles” wordt.
Bij een ander ontwerp worden de banen in een ringvormig veld, een zogenaamde torus, tot een cirkel gebogen. In zo’n apparaat kunnen de protonen en elektronen niet in contact komen met de wanden van het metalen vat en kunnen ze tot een temperatuur van miljoenen graden worden verhit terwijl het vat koel blijft. Het meest geslaagde apparaat van deze soort werd door de Russische geleerden die het uitvonden, een tokamak genoemd.
Ongeacht hoe het plasma door het magnetische veld wordt opgesloten, het moet aan drie voorwaarden voldoen, wil er een fusiereactie op gang komen en zich voortzetten. Deze voorwaarden bepalen de temperatuur, de dichtheid en de tijd.
Ten eerste moet het plasma worden verhit tot de ontstekingstemperatuur. De reactie tussen de atomen van deuterium en tritium begint bij de laagste temperatuur, ongeveer 46.000.000 °C. Het plasma kan worden verhit door er een elektrische stroom in te induceren, of door er een bundel hoogenergetische atomen in te injecteren. Maar de fusiereactie wordt altijd tegengewerkt doordat er als gevolg van schampende botsingen van de deeltjes energieverlies optreedt. Deze botsingen produceren röntgenstralen die gemakkelijk door het magnetische veld ontsnappen en aldus warmte uit het plasma afvoeren. Om de drempelwaarde voor een zichzelf onderhoudende reactie te bereiken, moet het plasma zo heet zijn dat de bij de fusiereactie vrijkomende hoeveelheid energie dit verlies overtreft.
Ten tweede moet het plasma worden gecomprimeerd om de deeltjes samen te persen tot een uiterst hoge dichtheid — 100 biljoen (1014) deeltjes, of meer, in iedere kubieke centimeter. En ten slotte moeten deze omstandigheden zo lang worden gehandhaafd dat er een minimumaantal botsingen kan plaatsvinden. Het produkt van de dichtheid en de tijd in seconden moet ten minste de 60 biljoen (60 x 1012) bereiken. Dit produkt wordt wiskundig de opsluitingsparameter genoemd, en uit de eraan gestelde voorwaarde leren wij dat als de maximumdichtheid bijvoorbeeld gedurende één tiende seconde in stand kan worden gehouden, die dichtheid dan minstens 600 x 1012 moet zijn om een zichzelf onderhoudende fusiereactie tussen deuterium en tritium tot stand te brengen.
Het plasma kan worden gecomprimeerd door het magnetische veld zeer snel te versterken. Hierdoor wordt de dichtheid vergroot en tegelijkertijd het plasma verder verhit. Dan zal er kernfusie optreden, mits het magnetische veld juist ontworpen is en het plasma lang genoeg opgesloten kan houden. Het teleurstellende is dat dit bijzonder moeilijk blijkt te zijn. Het plasma is een ergerlijk onhandelbaar goedje. Het vindt een zwakke plek in het magnetische veld en wringt zich daarin zodat een uitstulping ontstaat waardoor al snel alle plasma aan de opsluiting ontsnapt. Het gedraagt zich als een te hard opgepompte binnenband die niet ondersteund wordt door een buitenband.
Vele jaren en miljoenen dollars zijn er besteed aan frustrerende pogingen om de instabiliteiten te overwinnen. Pas in de afgelopen twee jaar hebben enige experimenten wat hoop gegeven dat de herculische krachtsinspanningen om het grillige plasma te temmen, uiteindelijk succes zullen hebben. Op het Massachusetts Institute of Technology haalde een tokamak, die „Alcator” gedoopt was, een opsluitingsparameter van 30 biljoen. Maar de temperatuur kwam bij lange na niet hoog genoeg: slechts ongeveer tien miljoen graden. Bij een latere proef in Princeton bereikte de daar aanwezige Grote Torus een temperatuur van 75 miljoen graden, voor het eerst hoog genoeg om de deuterium-tritiumreactie te ontsteken. Maar hier kwam de opsluitingsparameter niet boven de één biljoen. Derhalve flikkerde het fusievlammetje net even op en doofde al weer uit voordat het goed en wel ontstoken was.
De drempel waarbij eindelijk evenveel energie vrijkomt als erin gestopt wordt, werd door deze pogingen dicht benaderd, zodat men hoop heeft gekregen dat het met de volgende generatie tokamaks, groter en duurder dan hun voorgangers, wel zal lukken. In de komende twee of drie jaar moet er één in Princeton in de VS gebouwd worden, en één in Europa, in het Engelse Culham. Elk zal ongeveer $300 miljoen kosten. Als deze machines laten zien dat het mogelijk is met succes een gecontroleerde kernfusie tot stand te brengen, zullen de kernfysici gereed zijn om andere, op de weg naar commerciële fusiereactoren overblijvende hindernissen onder de ogen te zien.
Eén probleem dat de kop opsteekt, is het feit dat er zich in het plasma onzuiverheden ophopen die het onbruikbaar maken. De bovengenoemde stralingsverliezen worden veel groter als het atoomnummer toeneemt. Zelfs het gasvormige element helium veroorzaakt een achtmaal zo groot verlies als waterstof. Zuurstof is 500 maal zo erg. Dit betekent dat het plasma buitengewoon zuiver gehouden zal moeten worden, wil het bruikbare fusie-energie leveren.
Als men voor al deze problemen een oplossing zou vinden, hoe zou een kernfusiecentrale er dan uit kunnen zien? Een aan de Universiteit van Wisconsin opgesteld ontwerp dat gebaseerd is op de meest optimistische gegevens die tot nu toe beschikbaar zijn, geeft ons enig idee. De torus, ofwel het ringvormige reactorvat, zou 27 meter hoog zijn en een diameter hebben van 44 meter. Hij zou worden opgebouwd uit 12 gedeelten die wat weg hebben van taartpunten en elk 3500 ton wegen. Het gebouw waarin het geheel is ondergebracht, zou 102 meter hoog zijn en een diameter hebben van 120 meter. Deze enorme gedeelten zouden zo gemaakt moeten worden dat ze aan de strengste eisen voor hoogvacuüm voldoen. De gigantische magneten die elk gedeelte omgeven, zouden gekoeld worden met vloeibare helium tot een temperatuur die minder dan vier graden van het absolute nulpunt (-273 °C) verwijderd is.
Wanneer de centrale in werking is en haar lading deuterium en tritium op fusietemperatuur in de torus rondcirkelt, zal ze 1400 megawatt opwekken. Maar iedere 90 minuten zal deze hele reusachtige centrale moeten worden stilgelegd om de onzuiverheden eruit te pompen en de brandstof te vervangen. Tijdens deze periodieke stopzettingen zal de elektriciteit gedurende zes minuten, 15 maal per dag, uit een andere bron aan het elektriciteitsnet moeten worden toegevoerd. Geen wonder dat de energiebedrijven er niet zo happig op zijn zo’n ongestadige reus over te nemen!
Laserfusie — een traagheidsmethode
Nog een mogelijke manier om fusie onder controle te krijgen werd in het geheim ontwikkeld en onlangs in de openbaarheid gebracht. Ze wordt de traagheidsmethode genoemd. Bij een apparaat van deze soort staan een aantal laserstralen symmetrisch vanuit alle richtingen op één punt gericht zodat ze elkaar in dat gemeenschappelijke punt snijden. Dan laat men een microscopisch klein glasballonnetje waarin een mengsel van deuterium en tritium zit, door het brandpunt vallen. Wanneer het precies op die plaats is, worden de laserstralen afgevuurd. Ze treffen het bolletje allemaal tegelijk en verhitten het gedurende een fractie van een miljardste seconde met een energie van miljoenen kilowatts. De plotselinge hitte verdampt het bolletje en het glazen buitenlaagje explodeert, het gas in een implosie samendrukkend. Dit verhit de brandstof ogenblikkelijk tot een temperatuur van naar schatting tien miljoen graden en comprimeert het gas tot een dichtheid die 200 maal groter is dan normaal. Hoewel de temperatuur aanzienlijk lager is dan de ontstekingstemperatuur, is ze hoog genoeg om enige fusie tot stand te brengen. Bij enkele proeven zijn wel tien miljoen neutronen gevormd. Bijna onmiddellijk explodeert de massa weer daar er niets is om haar bijeen te houden. Fusie vindt slechts plaats zolang de waterstofatomen door de traagheid van hun massa bijeengehouden worden; zodra de geweldige druk ze uiteendrijft, stopt de reactie.
Deze methode houdt in enkele opzichten meer beloften in voor een snelle ontwikkeling dan de benadering waarbij gebruik gemaakt wordt van magnetische opsluiting. Maar de mate waarin men thans succes heeft geboekt, is niet meer dan een demonstratie dat het idee wetenschappelijk mogelijk is. Er moet duizenden malen meer energie in de laserstralen worden gepompt dan er bij de experimenten wordt geproduceerd. Met krachtiger lasers kan een hogere temperatuur worden bereikt en zal fusie efficiënter worden. Er zullen lasers nodig zijn die 10 tot 100 maal zo krachtig zijn als de krachtigste laser van nu, wil men het punt bereiken waarop evenveel energie kan worden geproduceerd als nodig is om de lasers te laten werken.
Maar er zit nog een hemelsbreed verschil tussen quitte te spelen met betrekking tot energie en quitte te spelen met betrekking tot de kosten. Zelfs als er lasers met het vereiste vermogen kunnen worden gemaakt, kan er uit één enkel bolletje slechts een klein beetje energie worden verkregen. Ten einde er een bruikbare energiebron aan te hebben, zou het nodig zijn de laser honderden of duizenden keren per minuut af te vuren, terwijl de bolletjes in gelijke aantallen door het brandpunt vallen. Het zal grote krachtsinspanningen vergen om de bruikbare levensduur van lasergeneratoren op te voeren en de microscopische bolletjes met miljoenen tegelijk tegen redelijke kosten te fabriceren.
Fusie: Schoon of niet zo schoon?
Voor beide vormen van kernfusie is de radioactieve vervuiling een funest probleem, ondanks de soms geuite beweringen dat energie uit kernfusie vrij zal zijn van deze vloek van de kernsplijting. Bij sommige fusiereacties (No.’s 4 en 5) is tritium betrokken, de radioactieve isotoop van waterstof. Bovendien produceren deze reacties neutronen, die ontsnappen en de omgevende materialen radioactief maken. Bekijken wij de tabel van fusiereacties, dan zien wij dat de reacties in de zon „schoon” zijn. Daar is in het geheel geen radioactiviteit bij betrokken. Maar de enige andere reactie waarvan dit gezegd kan worden, is die (No. 6) tussen deuterium en helium-3. Helaas vereisen al deze schone reacties een zeer hoge ontstekingstemperatuur.
Omdat de deuterium-tritiumreactie (No. 5) de laagste ontstekingstemperatuur heeft, is dit de enige reactie die in het huidige onderzoek benut wordt, en is dit ook de reactie waarvan in de eerste kernfusiecentrales gebruik zal worden gemaakt. Bij deze reactie komen overvloedig veel neutronen vrij, per hoeveelheid energie veel meer dan bij de splijting van uranium. Ze zullen alles in en om de reactor hoogradioactief maken. Het zal dus een gevaarlijke taak worden om reactoronderdelen die aan reparatie of vervanging toe zijn, te hanteren of zich ervan te ontdoen.
De radioactiviteit is echter niet het enige. Een tweede probleem is de schade die de neutronen aan de metalen platen die de reactor omgeven, toebrengen, omdat ze de atomen van hun plaats stoten. Dit verzwakt het materiaal, zodat bijvoorbeeld de ringvormige delen van de „magnetische opsluitings”-reactor waarschijnlijk niet langer dan twee tot vijf jaar zullen meegaan. De taak om deze kolossale radioactieve constructies, die elk 3500 ton wegen en even hoog zijn als een gebouw van negen verdiepingen uit de centrale te halen en op een of andere manier kwijt te raken, is een karwei dat een schrikbarende uitdaging vormt. De hoeveelheid radioactief afval van een fusiereactor kan wel eens groter blijken te zijn dan die van de huidige kerncentrales.
Nog een punt dat vaak over het hoofd wordt gezien, is dat tritium zelf radioactief is. Tritium wordt in uiterst geringe hoeveelheden aangetroffen in de atmosfeer, waar het door reacties van kosmische straling wordt gevormd. Wat betreft de specifieke radioactiviteit is tritium lang niet zo gevaarlijk als bijvoorbeeld de splijtingsprodukten jood en strontium, maar de hoeveelheid die in een fusiecentrale nodig is, zou honderden miljoenen curies bedragen (de curie is een eenheid voor de sterkte van radioactiviteit). Enige lekkage is onvermijdelijk; in de regel zou dit tot slechts 10 curie per dag kunnen worden beperkt. Maar als het bij een ongeval zou vrijkomen — uiteindelijk is een mengsel van waterstof en lucht explosief — zou het tritium snel in de vorm van water worden gebonden en onherroepelijk over de hele wereld worden verspreid. Ontsnapt uit slechts één centrale alle tritium, dan zou de concentratie ervan in de atmosfeer met ongeveer 1000 percent kunnen toenemen.
In de VS hoort men regelmatig optimistische nieuwsberichten over een nieuwe doorbraak op weg naar fusie-energie. Gewoonlijk schijnt dit juist te gebeuren omstreeks de tijd waarop in de jaarlijkse begroting aan het Congres wordt gevraagd meer geld beschikbaar te stellen voor uitbreiding van het onderzoek. Maar de nuchtere feiten zijn dat een rendabele fusiecentrale nog ver in de toekomst ligt, zelfs als alle nu bekende hinderpalen uit de weg geruimd kunnen worden. Volgens de kernfysicus Dr. Edward Teller (de „vader van de waterstofbom”) kan het nog wel eens twee generaties duren voordat laserfusie als bruikbare energiebron toegepast kan worden.
Onbeperkte energie uit kernfusie
Als iemand nu eens in zijn gedachten een ideale fusiecentrale zou moeten construeren, dan zou hij dit ongeveer als volgt doen: In de eerste plaats neemt hij een hoeveelheid waterstof die groot genoeg is om door haar zwaartekracht bijeengehouden te worden; daardoor worden alle opsluitingsproblemen opgelost. De als gevolg van die gravitatie optredende samenpersing van deze bol waterstof zou de temperatuur en dichtheid ervan voldoende verhogen om de fusiereactie te ontsteken. Het evenwicht tussen de gravitatie en de inwendige druk zou automatisch de snelheid van de reactie vastleggen zodat een te traag verloop en een onbeheerst verloop beide uitgesloten zijn.
In plaats van ingewikkelde afschermingen om de straling binnen te houden, zouden wij de straling tot een veilig niveau terugbrengen door deze kernreactor eenvoudig zo ver weg te plaatsen, laat ons zeggen een 150 miljoen kilometer, dat de resterende straling getolereerd kan worden. Bovendien zouden wij, in plaats van hoogspanningslijnen aan te leggen om de energie naar ons te transporteren, de energie gewoon in de vorm van stralingsenergie, warmte en licht, tot ons laten komen. En tot slot hoeven wij, ter bescherming tegen mogelijke verdwaalde protonen en neutronen uit de reactor, alleen nog maar een zwak magnetisch veld rondom ons aan te leggen waardoor deze deeltjes worden afgebogen, en een laag lucht om ze te absorberen.
De lezer zal natuurlijk herkennen dat dit nu precies de soort van fusiereactor is die onze Schepper ons heeft verschaft, namelijk de zon. Hoe dankbaar dienen wij te zijn dat de wijze Maker en Bron van alle energie aan de bewoners van heel de aarde een onfeilbare, onbeperkte bron van energie heeft gegeven. En deze energie komt tot ons zonder dat wij er enige moeite voor hoeven te doen. Bovendien wordt ons geen maandelijkse rekening gepresenteerd.
[Inzet op blz. 21]
’Als een kernfusiecentrale in werking zou zijn, zou het hele reusachtige ding iedere 90 minuten moeten worden stilgelegd om de onzuiverheden eruit te pompen en de brandstof te vervangen.’
[Inzet op blz. 22]
„De nuchtere feiten zijn dat een rendabele fusiecentrale nog ver in de toekomst ligt, zelfs als alle nu bekende hinderpalen uit de weg geruimd kunnen worden.”