Kernfusie - energie van de toekomst

Kernfusie - energie van de toekomst

De 21e eeuw is een hele belangrijke periode voor de mensheid. We zullen wereldwijd grote veranderingen moeten ondergaan willen we in de 22e eeuw op dezelfde manier kunnen blijven leven. Eén van deze aanpassingen heeft betrekking op energieopwekking; de omslag naar duurzame energie. Energie die niet vervuilt én niet ‘op’ kan raken. Kolen, olie en gas zullen namelijk ergens deze eeuw zo schaars worden dat ze niet meer aan onze energiebehoefte kunnen voorzien. Bovendien zorgt de opwekking van elektriciteit uit deze bronnen voor veel vervuiling in de steden en (deels) voor veranderingen in ons klimaat. Het is dus van groot belang dat we een oplossing vinden voor dit probleem. Een mogelijke oplossing hiervoor is energieopwekking uit kernfusie. Kernfusie biedt een praktisch onuitputbare en schone bron van energie.

Er zijn meerdere mogelijkheden om energie op te wekken: zonne-energie, windenergie, energie van waterkrachtcentrales en dus ook energie uit kernfusie zijn mogelijkheden. Nu moet je kernfusie niet verwarren met een traditionele kerncentrale. Die werkt op kernsplijting en dat is een heel ander proces. Bij kernsplijting wordt een zwaar atoom (zoals uranium) gespleten in kleinere atomen, een proces waar veel energie bij vrij komt. Bij kernfusie worden lichte atomen gefuseerd tot een zwaarder atoom (in veel gevallen is dit waterstof naar helium), waar ook veel energie bij vrij komt. Een nadeel van kernsplijting is dat de grondstof - uranium - radioactief is. Daarnaast werkt een kernreactor met een gecontroleerde kettingreactie. Als er iets mis gaat en de controle wegvalt, krijg je een gewone kettingreactie en loop je het risico dat de reactor ontploft. Oftewel: je hebt controle nodig om het niet uit de hand te laten lopen. Bij kernfusie is dat niet zo. Als alles misgaat stopt het proces simpelweg omdat er geen sprake is van een kettingreactie. Alleen tijdens de productie komt er wat radioactief afval vrij, maar dit is in vergelijking minder radioactief afval dan dat er vrij komt bij een kolencentrale. Ja, er komt ook radioactief afval uit een kolencentrale, naast de CO2 uitstoot (zie dit artikel van Scientific American).

Hoe werkt kernfusie?

Zoals je hierboven hebt kunnen lezen, worden er bij kernfusie atoomkernen gefuseerd. Naast een mogelijke bron van duurzame energie is dit ook het proces dat sterren laat schijnen. Een kernfusiecentrale zet waterstof om in helium. Waterstof is een atoom waarvan zijn kern bestaat uit een proton. Daaromheen draait één elektron. Helium is een ander atoom waarvan zijn kern bestaat uit twee protonen en twee neutronen:

Een heliumatoom bestaat uit twee protonen, twee neutronen en twee elektronen

Bij kernfusie wordt waterstof omgezet in helium. Je neemt wat waterstof (in gasvorm) en maakt het heel erg heet. Zo heet, dat de elektronen niet meer in een baan rond de kern zitten. Dit heet dan een plasma. Wat je overhoudt is een gas met alleen maar protonen. Echter heeft helium ook neutronen, wat niet in waterstof zit. Daarom wordt in plaats van waterstof, deuterium en tritium gebruikt. Dat zijn waterstofatomen waar respectievelijk één en twee neutronen aan zijn ‘geplakt’. Wanneer je dus een tritiumatoom (1 proton + 2 neutronen) en een waterstofatoom (1 proton) fuseert, heb je helium (2 protonen + 2 neutronen). Een voordelig bijproduct van dit proces is heel erg veel energie in de vorm van warmte.

In de praktijk wordt met kernfusie deuterium met tritium gebruikt (waarbij je dus een neutron overhoudt), omdat deze reactie makkelijker voor elkaar te krijgen is. Dat overgebleven neutron wordt gebruikt om tegen een lithiumkern aan te vliegen, want die knalt dan uit elkaar in tritium en helium. Het tritium vormt dan de basis van de kernfusie, omdat tritium niet in de natuur voorkomt. Oftewel: je kunt kernfusie voor elkaar krijgen met een mengsel van deuterium en lithium, met een heel klein beetje tritium om alles op gang te krijgen. Deuterium is gewoon te vinden in water en lithium is een van de meest voorkomende grondstoffen op aarde. Maar als die op is (over een paar duizend jaar) kunnen we tritium vervangen door deuterium. Die reactie is iets moeilijker, maar we hebben dan een paar duizend jaar om dat uit te zoeken.

Hoeveel grondstoffen verbruikt een fusiecentrale?

  • Nederland verbruikt per jaar ongeveer 904 miljoen megawattuur aan elektriciteit (ongeveer 3,5 megawattuur per huishouden, plus de energieverbruik van onder andere bedrijven, landbouw, etc…);
  • Om die hoeveelheid energie op te wekken heb je ongeveer 38.000 kilogram deuterium nodig;
  • Ongeveer 0.0312% van het water bevat deuterium, dus dat komt overeen met 38000/0.0312 = 1,2 miljoen kilo water;
  • Dat klinkt veel, maar dat is maar 1200 kubieke meter: iets meer dan 10 bij 10 bij 10 meter.

Je kunt een soortgelijke berekening doen voor het lithium. Als je dat doet, is er genoeg lithium beschikbaar om de hele wereld voor 3000 jaar van energie middels kernfusie te voorzien. Bizar toch? Je haalt het equivalent van een flink huis aan water uit de zee en je hebt genoeg grondstoffen om heel Nederland een jaar van energie te voorzien!

Waarom is het er nog niet?

Kernfusie klinkt dus als de perfecte energiebron:

  • Praktisch onuitputbare bron van energie
  • Nauwelijks afval
  • Schoon productieproces

Als kernfusie zo voordelig is, waarom zien we niet overal kernfusiecentrales? Dat is voornamelijk omdat het een erg ingewikkelde technologie is. Je moet het gas dat je wilt fuseren tot ongeveer 200 miljoen graden verwarmen. Deze hitte laat alles onmiddellijk smelten, zelfs de rand van de reactor. Daarom moet je het gas met magneetvelden in een kamer laten ‘zweven’, want alles dat het aanraakt smelt onmiddelijk.

Bovenaanzicht van de huidige status van ITER, het nieuwe centrum voor kernfusieonderzoek.

Om kernfusie succesvol te laten verlopen op de grote schaal is er nog veel onderzoek nodig. Helaas gaat er niet veel geld naar kernfusieonderzoek, er meer geld naar subsidies voor kolencentrales dan voor onderzoek naar duurzame energiebronnen. Bovendien is er ook erg veel geld vereist voor deze variant van onderzoek. De International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), de nieuwe kernfusiecentrale in Zuid-Frankrijk, kost tot nu toe al ruim 15 miljard euro! Aan het ITER wordt al jarenlang gewerkt, maar begint nu pas een beetje vorm te krijgen. Met de relatief geringe investering die wereldwijd wordt gedaan in kernfusieonderzoek om het op grote schaal toe te kunnen passen, zal het nog wel een jaar of 50 duren voordat kernfusie commercieel rendabel kan zijn. En waarschijnlijk nog langer.

Luc Hendriks's afbeelding

Over Luc Hendriks

Nijmegen http://www.heel.al

Reacties