Wat is kernfusie?
Kernfusie (in dit geval hebben we het over thermonucleaire fusie) is de reactie
Volgens modern astrofysischbegrippen, is de belangrijkste energiebron van de zon en andere sterren thermonucleaire fusie die in hun diepten plaatsvindt. Onder aardse omstandigheden wordt het uitgevoerd met de explosie van een waterstofbom. Thermonucleaire fusie gaat gepaard met een enorme energie-afgifte per massa-eenheid van reagerende stoffen (ongeveer 10 miljoen keer meer dan bij chemische reacties). Daarom is het van groot belang dit proces onder de knie te krijgen en op basis daarvan een goedkope en milieuvriendelijke energiebron te creëren. Ondanks het feit dat grote wetenschappelijke en technische teams in veel ontwikkelde landen zich bezighouden met onderzoek naar gecontroleerde thermonucleaire fusie (CTF), zijn er nog veel complexe problemen die moeten worden opgelost voordat de industriële productie van thermonucleaire energie een realiteit wordt.
Moderne kerncentrales gebruiken het procesverdeeldheid, slechts gedeeltelijk voorzien in de elektriciteitsbehoeften van de wereld. De brandstof daarvoor zijn de natuurlijke radioactieve elementen uranium en thorium, waarvan de overvloed en de reserves in de natuur zeer beperkt zijn; daarom worden veel landen geconfronteerd met het probleem om deze te importeren. Het hoofdbestanddeel van thermonucleaire brandstof is de waterstofisotoop deuterium, die in zeewater voorkomt. De reserves ervan zijn openbaar beschikbaar en zeer groot (de Wereldoceaan beslaat ~71% van het aardoppervlak, en deuterium is goed voor ongeveer 0,016% van het totale aantal waterstofatomen waaruit water bestaat).
Naast de beschikbaarheid van brandstof hebben thermonucleaire energiebronnen de volgende belangrijke voordelen ten opzichte van kerncentrales:
- de CTS-reactor bevat veel minder radioactieve materialen dan een kernsplijtingsreactor, en daarom zijn de gevolgen van het per ongeluk vrijkomen van radioactieve producten minder gevaarlijk;
- thermonucleaire reacties genereren minder langlevend radioactief afval;
- TCB maakt directe opwekking van elektriciteit mogelijk.
De succesvolle implementatie van de fusiereactie hangt af van de eigenschappen van de gebruikte atoomkernen en de mogelijkheid om een dicht plasma van hoge temperatuur te verkrijgen, dat nodig is om de reactie op gang te brengen.
Hoe komt energie vrij tijdens fusie?
Het vrijkomen van energie tijdens kernfusie is het gevolg vanextreem intense aantrekkingskrachten die in de kern werken; deze krachten houden de protonen en neutronen samen die de kern vormen. Ze zijn erg intens en vervallen extreem snel met de afstand. Naast deze krachten creëren positief geladen protonen elektrostatische afstotende krachten. De actieradius van elektrostatische krachten is veel groter dan die van nucleaire krachten, dus ze beginnen te heersen wanneer de kernen uit elkaar worden verwijderd.
Onder normale omstandigheden is de kinetische energie van kernenlichte atomen zijn te klein om de elektrostatische afstoting te overwinnen, ze kunnen naderen en een kernreactie aangaan. De afstoting kan echter worden overwonnen door "brute" kracht, bijvoorbeeld door kernen met hoge relatieve snelheid te laten botsen.
Waarom doen wetenschappers aan kernfusie?
Onderzoekers die thermonucleair ontwikkeleneen reactor die meer energie kan opwekken dan hij verbruikt, heeft in een reeks recent werk laten zien dat hun ontwerpen moeten werken, waardoor het optimisme herstelt dat deze schone, grenzeloze energiebron de klimaatcrisis zal helpen verlichten.
Een groep onderzoekers uit MassachusettsInstitute of Technology (MIT) en andere instituten verklaren dat de compacte fusiereactor SPARC in werkelijkheid zal werken. In theorie tenminste, zoals ze beweren in een reeks recent gepubliceerde onderzoeken.
Het team wijst erop dat tijdens de planningsfase nrer werden geen onverwachte obstakels of verrassingen gevonden. Dit staat in zeven artikelen geschreven door 47 onderzoekers van 12 verschillende wetenschappelijke instellingen.
Hoewel de nieuwe reactor nog in aanbouw isIn de vroege ontwikkelingsfasen hopen wetenschappers dat het tegen het einde van het decennium elektriciteit kan gaan produceren. Martin Greenwald, een van de senior wetenschappers van het project, vertelde The Guardian dat een belangrijke motivatie voor de ambitieuze tijdlijn het voorzien in de energiebehoeften in een opwarmend klimaat is. “Fusie lijkt een van de mogelijke oplossingen te zijn om uit de dreigende klimaatcatastrofe te komen”, zei hij.
Wat is het probleem met fusie en hoe kan het de planeet helpen?
Kernfusie, een fysiek proces datHet voeden van onze zon vindt plaats wanneer atomen bij extreem hoge temperaturen en drukken tegen elkaar botsen, waardoor ze enorme hoeveelheden energie vrijgeven door te versmelten met zwaardere atomen.
Sinds het voor het eerst werd ontdektIn de afgelopen eeuw hebben wetenschappers geprobeerd kernfusie te benutten, een extreem compacte vorm van energie waarvan de brandstof – waterstofisotopen – overvloedig aanwezig is en wordt aangevuld. Bovendien produceert kernfusie geen broeikasgassen of koolstof en brengt het, in tegenstelling tot kernsplijtingsreactoren, niet het risico van een meltdown met zich mee.
Echter, het gebruik van deze vorm van kernenergiebleek buitengewoon moeilijk omdat het de ‘soep van subatomaire deeltjes’ – plasma – tot honderden miljoenen graden moest verhitten – te heet om door welke container dan ook te kunnen hanteren. Om dit te omzeilen hebben wetenschappers een donutvormige kamer ontwikkeld waar een sterk magnetisch veld doorheen loopt, een zogenaamde tokamak, die het plasma op zijn plaats houdt.
Wat wordt er al ontwikkeld?
Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technologyen dochteronderneming Commonwealth Fusion Systems begon begin 2018 met het ontwerpen van een nieuwe reactor, compacter dan zijn voorgangers, en de bouw start in de eerste helft van volgend jaar. Als hun planning volgens plan verloopt, zou een reactor met de naam Sparc tegen 2030 elektriciteit voor het net kunnen produceren, aldus onderzoekers en bedrijfsfunctionarissen. Dit zal veel sneller gaan dan de bestaande grote initiatieven op het gebied van fusie-energie.
De huidige reactorontwerpen zijn te grooten wegen om daadwerkelijk elektriciteit op te wekken voor consumenten. Met behulp van geavanceerde, ultrasterke magneten hoopt het MIT en Commonwealth Fusion-team een compacte, efficiënte en schaalbare tokamak-reactor te creëren. "Wat we echt hebben gedaan is bestaande wetenschap combineren met nieuw materiaal om enorme nieuwe mogelijkheden te openen", aldus Greenwald.
Na te hebben aangetoond dat het Sparc-apparaatzou theoretisch meer energie kunnen produceren dan nodig is voor de werking, in onderzoeksdocumenten die in september zijn gepubliceerd, is de volgende stap de bouw van een reactor en vervolgens een proeffabriek die elektriciteit op het net zal opwekken.
Alle voor- en nadelen van kernfusie
Dat hebben wetenschappers en ondernemers lang beloofdthermonucleaire fusie staat voor de deur, maar kampt met onoverkomelijke problemen. Dit heeft geleid tot terughoudendheid om erin te investeren, vooral omdat wind-, zonne- en andere hernieuwbare energiebronnen, hoewel minder krachtig dan fusie, efficiënter en kosteneffectiever zijn geworden.
Maar de situatie verandert.In Biden's plan van $ 2 biljoen noemde hij geavanceerde nucleaire technologie onderdeel van een koolstofarme strategie. Democraten steunen voor het eerst sinds 1972 kernenergie. Aanzienlijke investeringen komen ook uit particuliere bronnen, waaronder enkele grote olie- en gasbedrijven, die fusie zien als een betere voet aan de grond op lange termijn dan wind en zon.
Volgens Bob Mumgaard, directeurAls directeur van Commonwealth Fusion is het doel niet om fusie te gebruiken ter vervanging van zonne- en windenergie, maar om deze aan te vullen. “Er zijn dingen die moeilijk te doen zullen zijn met alleen hernieuwbare energie, op industriële schaal, zoals het van stroom voorzien van grote steden of de productie”, zei hij. “Dat is waar synthese van pas kan komen.”
De plasmagemeenschap als geheel is enthousiast over de vooruitgang van Sparc, hoewel sommigen de ambitieuze tijdlijn in twijfel hebben getrokken gezien technische en regelgevende hindernissen.
Daniel Jessby, 25 jaar wetenschappelijk onderzoekeen medewerker van het Princeton Plasma Physics Laboratory, is sceptisch of een fusiereactor zoals de SPARC ooit een mogelijke alternatieve energiebron zou kunnen worden. Tritium, een van de isotopen van waterstof die Sparc zal gebruiken als brandstof, komt niet voor in de natuur en moet geproduceerd worden, zei hij.
Technologisch team van MassachusettsInstitute gaat ervan uit dat deze stof continu zal worden geregenereerd door de synthesereactie zelf. Maar Jessby gelooft dat dit een enorme hoeveelheid elektriciteit zal vergen, waardoor de reactor onbetaalbaar duur wordt. "Als je denkt dat we gratis zonne- en windenergie krijgen, zou het dom zijn om op een kernfusiereactie te vertrouwen", besluit hij.
Lees verder
Onderzoek: mensen zullen geen superintelligente AI-machines kunnen besturen
Abortus en wetenschap: wat gebeurt er met de kinderen die zullen bevallen
Bekijk de mooiste foto's van Hubble. Wat heeft de telescoop in 30 jaar gezien?