Instead of breaking up the nuclei of heavy atoms, nuclear fusion works by fusing nuclei of light atoms. This produces a lot of energy. It’s the same process that is making the sun burn for billions of years. It produces hardly any radioactive waste. Deuterium, the main fuel for nuclear fusion, occurs naturally in seawater. So there’s no shortage of it. Unfortunately, however, the process still presents many challenges, nuclear fusion is not (yet) an option.
How does a nuclear fusion reactor work?
A fusion reactor consists of a huge ring-shaped tube called the torus. Inside it, gas (deuterium and lithium) is heated to extremely high temperatures: over a hundred million degrees (ten times hotter than the core of the sun). The gas turns into a plasma: nuclei and electrons become free and can fly right into each other. Giant electromagnets hold the plasma in a magnetic field. When fusion occurs between the atomic nuclei, even more heat is released. This heat is transported away by a cooling system that can drive a steam generator.
Future of nuclear fusion?
So far, nobody has managed to get more energy out of a fusion reactor than had to be put into it to start the fusion process. Hopefully the larger ITER reactor will be more successful.
Researchers have been trying to generate power by nuclear fusion for over forty years. If they ever manage it, the amount of deuterium in half a litre of seawater will produce enough power to run a household for a whole year. The sea contains enough deuterium to supply all the electricity the world needs for millions of years.
Atoomkernen smelten samen
Kernfusie betekent dat twee atoomkernen samensmelten tot een nieuwe kern. Een atoomkern bestaat uit protonen en neutronen. Het aantal protonen bepaalt welk atoom het is. Zo heeft waterstof 1 proton in de kern, koolstof 6, ijzer 26 en lood 82. Als twee atoomkernen samensmelten bepaalt het totaal aantal protonen welke atoomkern er gevormd wordt. Twee waterstofkernen smelten samen tot helium, dat twee protonen in de kern heeft. Bij kernfusie van lichte kernen komt energie vrij. Bij zwaardere kernen kost het energie om ze samen te smelten. De grens ligt bij ijzer.
Energiebron van sterren
Kernfusie van lichte kernen levert energie op. Het probleem is alleen dat de kernen elkaar in normale omstandigheden afstoten. Alleen als de temperatuur en de druk voldoende hoog worden, kunnen de kernen botsen en samensmelten. Naast een nieuwe atoomkern komt er ook heel veel energie vrij. Kernfusie is de energiebron van sterren, zoals de zon. De kernfusiereactie die in de zon plaatsvindt is het samensmelten van waterstofkernen tot helium. Twee waterstofkernen smelten samen tot een deuteriumkern, een neutron en een neutrino. Vervolgens smelt een deuteriumkern met een waterstofkern samen tot een heliumkern en een foton. De energie van het foton wordt naar de buitenkant van de zon getransporteerd en zorgt er uiteindelijk voor dat de zon licht en warmte uitstraalt.
Zon op aarde?
Op aarde proberen onderzoekers al jaren om energie te winnen met behulp van kernfusie. De waterstof-waterstofreactie, zoals in de zon, is op aarde niet geschikt, omdat dat proces veel te langzaam verloopt. Vanwege de grote afmetingen van de zon en de extreem hoge druk in het centrum is dat voor de zon geen probleem. De kernfusiereactie die op aarde het makkelijkst tot stand te brengen is, is de fusie van deuterium en tritium tot helium. Deuterium is een stabiele isotoop van waterstof met één proton en één neutron in de kern. Tritium is een radioactief isotoop van waterstof met één proton en twee neutronen in de kern. Een tritiumatoom en een deuteriumatoom fuseren tot een heliumatoom en een neutron. Hierbij komt vier miljoen keer meer energie vrij dat bij een normale chemische reactie.
Hoe werkt een kernfusiereactor?
Een fusiereactor bestaat uit een enorme ringvormige buis, de torus. Daarbinnen wordt gas (deuterium en lithium) verhit tot extreem hoge temperaturen: meer dan honderd miljoen graden (tien keer heter dan de kern van de zon). Het gas wordt een plasma: atoomkernen en elektronen raken van elkaar los en vliegen dwars door elkaar. Gigantische elektromagneten houden het plasma gevangen in een magnetisch veld. Als de atoomkernen samensmelten (fusie) komt er nog meer warmte vrij. Die warmte wordt afgevoerd door een koelsysteem dat een stoomgenerator kan aandrijven.
Toekomst van kernfusie?
Onderzoekers zijn al meer dan veertig jaar bezig om energie op te wekken met kernfusiereactoren, maar tot nu toe is het nog niet gelukt om meer energie uit de kernreactor te halen dan dat er in gestopt moest worden om de kernfusie te starten. Als het eenmaal lukt, dan is de hoeveelheid deuterium in een halve liter zeewater genoeg om één huishouden voor een jaar van energie te voorzien. In de zee zit voldoende deuterium om voor miljoenen jaren de wereld van energie te voorzien.
Klik door naar...