Fusie-energie heeft het potentieel om veilige, schone en vrijwel onbeperkte energie te leveren. Hoewel fusiereacties kunnen plaatsvinden voor lichte kernen die minder wegen dan ijzer, zullen de meeste elementen niet fuseren, tenzij ze zich in het inwendige van een ster bevinden. Om brandende plasma’s te creëren in experimentele fusiereactoren zoals tokamaks en stellarators, zoeken wetenschappers een brandstof die relatief gemakkelijk te produceren, op te slaan, en tot fusie te brengen is. De beste kans voor fusiereactoren is op dit moment deuterium-tritiumbrandstof. Deuterium en tritium zijn isotopen van waterstof, het meest overvloedige element in het heelal. Terwijl alle isotopen van waterstof één proton hebben, heeft deuterium ook één neutron en tritium twee neutronen, zodat hun ionenmassa’s zwaarder zijn dan protium, de isotoop van waterstof zonder neutronen. Wanneer deuterium en tritium samensmelten, ontstaat een heliumkern, die twee protonen en twee neutronen heeft. Bij de reactie komt een energetisch neutron vrij. Fusiecentrales zouden de energie die vrijkomt bij fusiereacties omzetten in elektriciteit voor onze huizen, bedrijven en andere behoeften.
Gelukkig genoeg komt deuterium veel voor. Ongeveer 1 op de 5000 waterstofatomen in zeewater heeft de vorm van deuterium. Dit betekent dat onze oceanen vele tonnen deuterium bevatten. Als fusie-energie werkelijkheid wordt, kan één liter zeewater evenveel energie produceren als 300 liter benzine.
Tritium is een radioactieve isotoop die relatief snel vervalt (hij heeft een halfwaardetijd van 12 jaar) en zeldzaam is in de natuur. Gelukkig kan tritium worden opgewekt door het veel rijkere element lithium bloot te stellen aan energierijke neutronen in een fusiereactor. Een werkende fusiecentrale zou lithium kunnen gebruiken om het tritium te kweken dat nodig is om de deuterium-tritium-brandstofcyclus te sluiten, aangezien lithium kan worden gewonnen uit de aardkorst via ertswinning en uit zoutwoestijnen.
DOE Office of Science: Contributions to Deuterium-Tritium Fuel
Onderdeel van de missie van het Department of Energy Office of Science, Fusion Energy Sciences (FES) programma is het ontwikkelen van een praktische fusie-energiebron. FES werkt samen met het Advanced Scientific Computing Research-programma en gebruikt wetenschappelijke computers om de fusiewetenschap te bevorderen en het effect van ionenmassa op diverse plasmaverschijnselen te begrijpen. In gebruikersfaciliteiten van het Office of Science, zoals de DIII-D tokamak en de NSTX-U sferische tokamak, bestuderen wetenschappers de invloed van ionenmassa op plasmaopsluiting, -transport en -turbulentie. De opsluiting van fusieproducten zoals het heliumion wordt ook bestudeerd in aanwezigheid van spiraalvormige magnetische velden. Het programma Kernfysica van het Office of Science ontwikkelt de fundamentele kernwetenschap die ten grondslag ligt aan het begrip van kernfusie door het opzetten van databases van kernreacties, het genereren van nucleaire isotopen, en het ophelderen van aspecten van de nucleosynthese.
Deuterium-Tritium Brandstof Feiten
- Water gemaakt van deuterium is ongeveer 10 procent zwaarder dan gewoon water. Daarom wordt het ook wel “zwaar water” genoemd. Het zinkt in feite naar de bodem van een glas gewoon water.
- De bronnen van tritium op aarde zijn onder meer natuurlijke productie door interacties met kosmische straling, energieproducerende kernsplijtingsreactoren zoals de zwaarwaterreactor CANDU, en kernwapentests.
- Om bepaalde R&D uitdagingen, waaronder structurele materiaalschade door energetische neutronen, te vermijden, zijn fusiewetenschappers ook geïnteresseerd in aneutronische fusiereacties (zoals deuterium-helium-3 en proton-boronfusie), hoewel deze fusiereacties bij hogere ionentemperaturen plaatsvinden dan bij deuterium en tritium.
Bronnen en verwante termen
- Hoe werkt fusie-energie?
- U.S. DOE Office of Science Fusion Energy Sciences programma
- Science Up-Close: Developing a Cookbook for Efficient Fusion Energy
- Fusion Research Ignites Innovation
Acknowledgements
Matthew Lanctot (U.S. DOE Office of Science)