Om de vraag „hoe werkt kernfusie?“ te beantwoorden, moeten we ons misschien eerst afvragen: „hoe werkt de zon?“
Al sinds het begin der tijden kijkt de mensheid vol ontzag naar onze zon. De oude Egyptenaren vereerden haar als de god Ra, die in een hemelse boot over de hemel voer zoals men over de Nijl zou varen; de oude Grieken aanbaden haar als Helios, die in een door vlammende paarden getrokken strijdwagen van horizon naar horizon reed. Veel religies, zowel oude als moderne, zien de stralende, verblindende schijf aan de hemel als een symbool van goddelijke wezens zoals Aton, Utu, Tonatiuh, Sol Invictus, Ameratsu, Surya, enzovoort. De zon geeft ons warmte en licht, zorgt voor onze wisselende seizoenen en maakt al het leven en de beschaving op aarde mogelijk. Je zou zelfs kunnen zeggen dat onze wereld om de zon draait.*
*En je hebt gelijk, want dat is inderdaad zo.
De eerste persoon in de geschreven geschiedenis die stelde dat onze wereld letterlijk – en niet alleen figuurlijk – om de zon draait, was de Griekse astronoom Aristarchus van Samos, die leefde in de 3e eeuw v.Chr. Rond dezelfde tijd stelde een andere Griekse astronoom en filosoof, Anaxagoras, dat de zon in feite niet de strijdwagen van Helios was, maar een reusachtige bol van vlammend metaal die in een baan om de aarde draaide. Mensen vonden het niet prettig om dit te horen.
Rond dezelfde tijd berekende Eratosthenes van Cyrene, de Griekse wiskundige die bekendstaat om zijn verbazingwekkend nauwkeurige berekening van de omtrek van de aarde, ook de afstand tussen de zon en de aarde op ongeveer 150 miljoen kilometer (ongeveer 94 miljoen mijl). De zon bevindt zich in feite op 147 miljoen kilometer afstand van de aarde op het dichtstbijzijnde punt van onze baan en op 153 miljoen kilometer op het verste punt.
In de loop van de volgende ongeveer tweeduizend jaar leerden wetenschappers en filosofen over de hele wereld – in het Middellandse Zeegebied, het Midden-Oosten, Azië en Europa – steeds meer over de zon, maar pas aan het begin van het moderne wetenschappelijke tijdperk in de 19e eeuw beschikten we over de middelen om een van de grootste vragen ter wereld aan te pakken: waar komt alle energie van de zon vandaan?
De ontdekking van kernfusie-energie
Pas in de 20e eeuw, na de ontdekking van radioactiviteit, hebben we de wetenschap achter kernfusie ontrafeld. In 1904 stelde Ernest Rutherford dat radioactief verval mogelijk verantwoordelijk is voor de energieproductie van onze zon. Kort daarna ontwikkelde Albert Einstein zijn theorie van de massa-energie-equivalentie, het best uitgedrukt in zijn beroemde formuleE=mc²; in 1920 stelde Sir Arthur Eddington voor dat de zon energie zou kunnen produceren, zoals beschreven in Einsteins werk, door waterstofatomen te laten samensmelten tot helium, waarbij warmte en licht vrijkomen – in wezen de opwekking van energie door kernfusie. Subrahmanyan Chandrasekhar en Hans Bethe werkten het theoretische concept uit van wat Eddington had voorgesteld – wat nu bekendstaat als kernfusie – en berekenden hoe de kernfusiereacties die onze zon van energie voorzien, werken.
Zodra we begrepen dat de kernreactor in het hart van onze zon in feite een gigantische bol van gloeiend (voornamelijk waterstof)gas was en niet, zoals Anaxagoras had verondersteld, een vurige metalen bol (wel een goede gok!), begonnen we ons af te vragen: „Hé, kunnen we dat hier op aarde ook doen?”
En zo begon de zoektocht naar energieopwekking door middel van kernfusie.
Hoe werkt kernfusie? De fysica van een kernfusiereactie
Kernfusie is een van de eenvoudigste, maar tegelijkertijd krachtigste fysische processen in het heelal. Twee zeer geëxciteerde, zeer hete en zeer energetische atomen botsen op elkaar en smelten samen tot één atoom, waarbij enkele subatomaire deeltjes en restenergie vrijkomen.
Na de oerknal bestond het hele universum uit een extreem hete, extreem energetische soep van zeer kleine subatomaire deeltjes – al was het nog niet helemaal juist om ze subatomaire deeltjes te noemen, aangezien er op dat moment nog geen atomen bestonden. Uiteindelijk begonnen deze minuscule deeltjes elkaar aan te trekken en zich te binden, waardoor quarks veranderden in elektronen, neutronen en protonen – de fundamentele bouwstenen van materie. De hete, dichte soep van het heelal begon af te koelen en te stollen terwijl het uitdijde, waardoor kleine klompjes waterstofgas ontstonden.
Een tijdlang bestond het heelal uitsluitend uit waterstof, het eenvoudigste element. Maar de zwaartekracht begon sommige van deze gaswolken langzaam dichter bij elkaar te trekken, en naarmate de rondrazende waterstofatomen meer energie kregen in hun steeds dichtere en steeds hetere omgeving, begonnen ze met elkaar te fuseren tot helium, het op één na lichtste element.
Veel van deze gaswolken werden sterren, net als onze zon: enorme bollen van waterstof- en heliumplasma die worden aangedreven door kernfusiereacties. En in de dichte kernen van deze sterren bleef de waterstof- en heliumfusie doorgaan totdat er steeds zwaardere elementen ontstonden. Toen de vroege sterren van het heelal stierven en uitbarstten als nova’s en supernova’s, slingerden ze wolken van al deze zwaardere elementen de ruimte in, die uiteindelijk uitgroeiden tot de nevels, planeten, asteroïden, kometen en andere interstellaire hemellichamen die we kennen.
Hoe verbinden atomen zich met elkaar?
Er is enorm veel energie – en intense druk – nodig om kernfusie teweeg te brengen, zelfs tussen lichte atoomkernen. Atoomkernen, die positief geladen protonen en neutrale neutronen bevatten, willen onder normale omstandigheden niet in elkaars buurt komen. De coulombkracht, die beschrijft hoe gelijke ladingen elkaar afstoten en tegengestelde ladingen elkaar aantrekken (zoals bijvoorbeeld bij de noord- en zuidpool van een magneet), zorgt ervoor dat deze twee atoomkernen niet met elkaar in botsing komen. Als je twee atomen op een directe botsingskoers zet met de bedoeling hun atoomkernen tegen elkaar te laten botsen en aan elkaar te laten kleven, moet je ze tot zeer hoge snelheden versnellen, zodat bij de botsing de kernkracht – die protonen dwingt zich aan neutronen te hechten – de afstotende Coulomb-kracht overwint.
Kernbindingsenergie is de minimale hoeveelheid energie die nodig is om een atoomkern te splitsen. Hoe dichter het element, hoe meer energie er nodig is om de kern te splitsen. Wanneer we kernsplijting of kernfusie veroorzaken, kan die kernbindingsenergie vrijkomen. Op deze manier kunnen kernsplijting en kernfusie worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.
Bij zwaardere elementen komt er bij kernfusie geen fusie-energie vrij. Maar bij lichtere elementen, zoals waterstof en helium, ontstaat er bij de samensmelting van twee atomen een derde atoom dat vol zit met overtollige energie en een of twee extra neutronen in de kern, waardoor het onstabiel wordt. Geen enkel atoom wil onstabiel zijn, en daarom probeert het terug te keren naar het dichtstbijzijnde stabiliteitspunt door al die overtollige energie kwijt te raken. Het ontlast zichzelf door de extra hoogenergetische neutronen uit te stoten, waarbij ook de resterende fusie-energie vrijkomt.
Kernfusie in de zon
In de gigantische fusiereactor die de zon is, vindt het kernfusieproces voornamelijk plaats tussen de twee lichte atoomkernen waterstof en helium, aangezien die het grootste deel van de samenstelling uitmaken. Naarmate de levenscyclus van een ster vordert, ontstaan er zwaardere elementen in de waterstofrijke kern, waar de onvoorstelbare hitte en intense druk de atomen keer op keer tegen elkaar drukken. Onze zon is een middelgrote ster die zich ongeveer halverwege haar levenscyclus bevindt en zo’n vijf miljard jaar geleden is ontstaan uit een gaswolk. Buiten de kern geven kolkende lagen heet plasma warmte en licht af, die door de afgrond van de ruimte reizen om alle planeten en bijna-planeten (sorry, Pluto) in ons zonnestelsel te verwarmen met kernfusie-energie.
Uiteindelijk, over ongeveer vijf miljard jaar, zal de zon de eens zo overvloedige voorraad waterstof en helium in haar kern hebben opgebruikt door deze volledig te fuseren tot zwaardere elementen. Wanneer dat gebeurt, zal de zon hetgeen er nog over is van haar buitenste lagen met geweld afstoten en een kleine gasvormige kern van koolstof en andere zware elementen achterlaten. Omdat deze overgebleven witte dwerg niet langer massief genoeg is om deze zware elementen te laten fuseren, zal hij inactief in het centrum van een uitdijende gaswolk blijven rusten totdat hij afkoelt en een zwarte dwerg wordt, die geen energiebron meer is voor het zonnestelsel.
De fusieprocessen in de zon vinden plaats op zo’n enorme schaal dat het moeilijk is om je daar een voorstelling van te maken. In de kern van de zon wordt elke seconde meer dan 600 miljoen ton waterstof gefuseerd. Er is zoveel energie nodig om kernfusie teweeg te brengen dat in ons moderne en volgroeide heelal kernfusie alleen op natuurlijke wijze plaatsvindt in sterren zoals onze zon, waar de hitte en druk voldoende zijn om lichte atoomkernen samen te persen tot zwaardere elementen. Zelfs waterstof, het lichtste element, vereist een hoge energie-inbreng om te fuseren, iets wat nergens anders op natuurlijke wijze kan plaatsvinden.
En natuurlijk, omdat we mensen zijn, leerden we over dat fusieproces en vroegen we ons af of we dat hier op aarde ook konden doen (op veel kleinere schaal, natuurlijk). Nadat we kernsplijting hadden ontdekt en de meest vernietigende wapens hadden gemaakt die de mensheid ooit heeft gekend, begon de race om kernfusie – niet als bron van vernietigende kracht, maar als bron van voldoende elektrische fusie-energie om de hele wereldbeschaving van stroom te voorzien zonder dat er vervuilende fossiele brandstoffen zoals steenkool of olie nodig zijn.
Hoe werken kernreactoren?
Er zijn twee brede categorieën kernreactoren: kernsplijtingsreactoren, die zware atomen splitsen in lichtere atomen en daarbij bijproducten produceren zoals neutronenstraling, radioactief afval en, het belangrijkste, een overschot aan vrijgekomen energie dat kan worden omgezet in elektriciteit om onze huishoudens en industrieën van stroom te voorzien; en kernfusiereactoren, die lichte atomen in een fusiereactie samenvoegen tot zwaardere atomen en daarbij bijproducten produceren zoals neutronenstraling en (in theorie) een overschot aan fusie-energie. Kernfusie als bron van energieopwekking – fusie-energie – is de heilige graal van de fusiewetenschap.
Fusie versus kernsplijting
Een kernsplijtingsreactor gebruikt uranium als brandstof. Wanneer een uraniumatoom door blootstelling aan neutronenstraling wordt geëxciteerd en uit balans raakt, valt het uiteen in kleinere atomen, zoals barium en krypton, en geeft het meer neutronenstraling vrij, die op haar beurt weer meer uraniumatomen exciteert en doet uiteenvallen, waardoor een kettingreactie ontstaat. De vrijgekomen energie zorgt ervoor dat het water in de reactor gaat koken, waardoor het in stoom verandert en een turbine aandrijft, die vervolgens elektriciteit opwekt. Sommige van de lichtere elementen die bij deze kettingreacties ontstaan, zijn behoorlijk radioactief en hebben tienduizenden jaren of langer nodig om te vervallen, wat de opslag ervan problematisch maakt. Het is ook mogelijk dat kernsplijtingsreactoren radioactief materiaal in het milieu vrijgeven als de kettingreactie uit de hand loopt, zoals gebeurde in de kerncentrales van Tsjernobyl en Three Mile Island; deze gevaarlijke reactie leidt tot een escalerende afgifte van warmte en straling, een verschijnsel dat alleen mogelijk is bij kernsplijting en niet bij kernfusie, waarbij geen ongecontroleerde reactie kan optreden. Moderne kernsplijtingsreactoren in kerncentrales zijn ontworpen met uiterst redundante veiligheids- en uitschakelsystemen om dit soort rampscenario’s te voorkomen.
Niet alle kernsplijtingsreactoren zijn kerncentrales die zijn ontworpen om elektriciteit op te wekken. Onderzoeksreactoren die geen elektriciteit opwekken, worden gebruikt vanwege hun neutronenproductie voor toepassingen zoals het testen van de bestralingsbestendigheid, neutronenradiografie en de productie van medische isotopen.
Een fusiereactor is iets heel anders dan een splijtingsreactor. Om te beginnen werkt een fusiereactor met veel lichtere elementen als fusiebrandstof. In de zon zien we voornamelijk waterstof, het lichtste element, dat samensmelt tot helium, het op één na lichtste element, waarbij fusie-energie vrijkomt. Hier op aarde combineren fusiereactoren lichte elementen zoals deuterium en tritium, twee isotopen van waterstof, als fusiebrandstof. Historisch gezien is bij fusieonderzoek voornamelijk gewerkt met deuterium en tritium als potentiële kernfusiebrandstof, in plaats van de waterstof-waterstof- en helium-helium-fusiereacties van onze zon na te bootsen. Dit komt doordat de methode van de zon weliswaar prima werkt vanwege haar gigantische massa en omvang, maar op onze veel bescheidener schaal met kernfusieapparaten kunnen we gemakkelijker een fusiereactie opwekken door een deuteriumatoom te laten botsen met een ander deuteriumatoom (of tritiumatomen) dan met een waterstof- of heliumfusiereactie.
Kernfusiereacties, nucleaire bijproducten en radioactieve halfwaardetijd
Een van de enorme potentiële voordelen van kernfusiecentrales ten opzichte van kernsplijtingscentrales, en wat fusie tot zo’n aantrekkelijke bron van elektriciteit maakt – niet alleen in vergelijking met kernsplijting, maar in feite ook met vrijwel elke andere energiebron – is het afvalmateriaal, namelijk de verbruikte fusiebrandstof, dat erbij vrijkomt. Kernsplijtingsreactoren laten zeer zware elementen achter als gevolg van de splitsing van uraniumatomen, die tot tienduizenden of honderdduizenden jaren lang zeer radioactief blijven.
Elke onstabiele en radioactieve isotoop heeft een „halfwaardetijd“, oftewel de tijd die nodig is voordat de helft van een willekeurig monster van het materiaal is vervallen tot een stabielere isotoop die niet langer radioactief is. Zo heeft uranium-235, de specifieke isotope van uranium die als kernbrandstof wordt gebruikt, een halfwaardetijd van meer dan zevenhonderd miljoen jaar, terwijl molybdeen-99, een isotope die wordt gebruikt voor de productie van contrastmiddelen voor medische beeldvorming, een halfwaardetijd heeft van ongeveer tweeënhalve dag.
Bij de splijting van uranium en plutonium ontstaat een hele reeks radioactieve afvalbijproducten, waarvan sommige een halfwaardetijd van dagen of uren hebben en andere een halfwaardetijd van meer dan tweehonderdduizend jaar. De opslag en verwijdering van langlevend nucleair afval vormt een groot probleem bij kernsplijtingsenergie, maar is bij kernfusie praktisch geen issue. Deuterium-deuterium- en deuterium-tritiumreacties produceren helium-3 en helium-4, twee stabiele isotopen van helium.
Hoe een kernfusiereactor zou werken om fusie-energie op te wekken
Er zijn twee brede categorieën ontwerpen voor fusiereactoren, die beide in het huidige fusieonderzoek worden onderzocht: reactoren met magnetische insluiting en reactoren met inertiële insluiting.
Reactoren met magnetische insluiting
Fusiereacties beginnen met heet plasma, de vierde fundamentele toestand van materie. Plasma is een heet, elektrisch geleidend gas van ionen en ongebonden geladen deeltjes dat de perfecte smeltkroes vormt voor kernfusie, en al onze technologie die wordt gebruikt om fusie op gang te brengen, draait om het beheersen en sturen van deze toestand van materie in een omgeving met hoge energie en hoge intensiteit. Wanneer twee lichte atoomkernen met hoge snelheid op elkaar botsen, kunnen ze de Coulomb-barrière gemakkelijker doorbreken en fuseren, waarbij de kernbindingsenergie van de ionen vrijkomt. Dit is wat er in de kern van onze zon gebeurt. Om dat energieopwekkende fusieproces hier op aarde in een fusiereactor na te bootsen en fusie-energie voor ons eigen gebruik te benutten, hebben we technologie nodig die de stroom van oververhit plasma beheerst.
Hoe werken reactoren met magnetische insluiting?
Een fusiesysteem op basis van magnetische insluiting maakt gebruik van krachtige magnetische velden om de beweging van oververhit plasma in te dammen en te beheersen. Terwijl de deeltjes in het plasma door een sterk magnetisch veld worden geleid, botsen ze met elkaar en smelten ze samen tot nieuwe elementen. Het concept van magnetische energie-insluiting voor een fusiereactor werd voor het eerst ontwikkeld in de jaren veertig, en het vroege fusieonderzoek stemde wetenschappers optimistisch dat magnetische insluiting de meest haalbare manier zou zijn om fusie-energie op te wekken.
Het meest onderzochte en bekendste type magnetisch insluitingssysteem is de tokamak-reactor, die in de jaren vijftig voor het eerst werd ontwikkeld door de Sovjetwetenschappers Igor Tamm en Andrei Sacharov op basis van Z-pinch-machines. Een tokamak is een donutvormige fusiereactor die een spiraalvormig magnetisch veld opwekt met behulp van krachtige elektromagneten die in de binnenste ring zijn geplaatst. Een vergelijkbaar ontwerp voor een fusiereactor, de zogenaamde stellarator, maakt gebruik van externe magneten om een insluitingsveld uit te oefenen op het oververhitte plasma in de fusiereactiekamer. Het belangrijkste verschil tussen het ontwerp van een tokamak en dat van een stellarator is dat een tokamak gebruikmaakt van de Lorentz-kracht om het magnetische veld in een spiraal te verdraaien, terwijl de stellarator de torus zelf verdraait.
In de jaren zeventig, toen er vanuit regeringen een stortvloed aan financiering naar onderzoeksinstellingen vloeide in de hoop fusie-energiecentrales te ontwikkelen om tijdens de oliecrisis in de energiebehoefte te voorzien, begonnen overal ter wereld experimentele tokamak- en stellarator-fusie-reactoren (maar vooral tokamaks) op te duiken. Het duurde niet lang voordat men ontdekte dat fusie door magnetische insluiting, hoewel zeker in staat om schone fusie-energie op te wekken, veel moeilijker te realiseren was dan verwacht. Om een reactie op gang te brengen waarbij meer fusie-energie wordt opgewekt dan er nodig is om de reactie in stand te houden en vervolgens draaiende te houden (wat het belangrijkste is), heb je zeer krachtige magneten nodig om het plasma soepel door de ring van de tokamak-fusie-reactor te laten stromen, en moet je zeer hoge temperaturen handhaven – temperaturen van meer dan honderd miljoen graden – om te compenseren dat de druk in de reactor lager is dan de intense druk in de kern van de zon.
Hoewel de Amerikaanse bijdrage aan de financiering van dat fusie-experiment halverwege de jaren ’80 opdroogde nadat de toenmalige president Ronald Reagan de energiecrisis voor beëindigd had verklaard, gingen de werkzaamheden aan de ontwikkeling van de tokamak voor fusieonderzoek gewoon door. In 1988 begon het ontwerpwerk aan ITER, oftewel de International Thermonuclear Experimental Reactor. Dit was een gezamenlijk project van onderzoekers op het gebied van fusiewetenschap uit de Verenigde Staten, de Sovjet-Unie, de Europese Unie en Japan, aangezien onderzoekers op het gebied van fusie-energie al snel hadden ontdekt dat geen enkel land over de middelen beschikte om in zijn eentje een tokamak-fusiereactor te ontwikkelen die krachtig genoeg was.
Vergelijkbaar met ITER is de Joint European Torus, of JET, gevestigd in het Culham Centre for Fusion Energy in het Verenigd Koninkrijk. De Joint European Torus is ’s werelds grootste operationele experiment op het gebied van magnetisch ingesloten plasmafysica en wordt momenteel onder andere gebruikt om aspecten van het ITER-ontwerp te testen en te verfijnen. JET is een van de weinige faciliteiten ter wereld die meer neutronen produceert dan wij!
Hoewel er momenteel nog vooruitgang nodig is op het gebied van de plasma- en materiaalkunde om fusiereactoren te bouwen die meer fusie-energie kunnen opleveren dan erin wordt gestoken, worden tokamak-reactoren nog steeds beschouwd als de meest veelbelovende weg binnen het fusieonderzoek om op een dag energiecentrales te realiseren voor de productie van schone fusie-energie.
Reactoren met inertiële insluiting
Bij fusie door inertiële insluiting worden hoogenergetische laserstralen op een brandstofpellet gericht die deuterium en tritium bevat, de brandstoffen voor de reactie. Door de inslag van de hoogenergetische straal ontstaan er schokgolven die door de brandstofpellet gaan, waardoor deze wordt verhit en samengedrukt, wat fusiereacties teweegbrengt.
Deze methode om op deze manier kernfusiereacties op gang te brengen en energie uit inertiële fusie te benutten, werd voor het eerst voorgesteld in de jaren vijftig, en in de jaren zeventig bleek uit onderzoek naar hoogenergetische ICF (inertiële opsluitingsfusie) dat dit een veelbelovender weg naar fusie-energie zou kunnen zijn dan tokamak- en stellarator-fusiereactoren.
In de loop van de volgende twee decennia ontdekten onderzoekers op het gebied van fusie-energie echter geleidelijk aan steeds meer hindernissen die overwonnen moesten worden om ontsteking in een dergelijke fusiereactor te bereiken, en de schattingen van de hoeveelheid energie die de laserstralen nodig hadden om fusie op gang te brengen, verdubbelden jaar na jaar.
De National Ignition Facility in het Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, Californië, is het grootste en krachtigste ICF-systeem ter wereld. Het systeem werd in 2009 voltooid, maar heeft tot 2015 slechts een derde van de voor ontsteking vereiste omstandigheden kunnen bereiken. De NIF wordt momenteel vooral gebruikt voor materiaalwetenschap en wapenonderzoek, en niet zozeer voor onderzoek naar fusie-energie.
Andere plaatsen waar kernfusie plaatsvindt
Kernfusiereacties komen van nature alleen voor in sterren, maar hier op aarde vindt kernfusie niet alleen plaats bij ITER en andere onderzoekscentra voor fusie-energie. Er zijn ook onderzoeksfaciliteiten voor kernfusie die fusieprojecten onderzoeken, zoals fusie door botsende stralen, waarbij een straal van hoogenergetische deeltjes wordt versneld en op een stilstaand doel of een andere straal wordt gericht om een kernfusiereactie op te wekken, vergelijkbaar met inertiale opsluitingsfusie. Hoewel dit kunstmatige fusie-experiment op dit moment nog niet zoveel potentieel heeft voor het opwekken van fusie-energie, kent het andere toepassingen in onderzoek en industrie die niet minder belangrijk zijn dan fusieonderzoek.*
*Kernfusie vindt ook plaats in thermonucleaire bommen of fusiebommen, ook wel waterstofbommen genoemd, waarvan elke verstandige mens op aarde hoopt dat we ze nooit, maar dan ook nooit zullen hoeven gebruiken.
Het blijkt dat een van de meest direct bruikbare resultaten van fusiereacties – met name deuterium-deuterium- en deuterium-tritiumreacties – niet energie is, maar juist neutronenstraling. Neutronenstraling is een bijproduct van alle nucleaire processen, waaronder kernsplijting en kernfusie, en sinds de jaren vijftig zijn industriële en onderzoekstoepassingen, zoals neutronenradiografie en de productie van medische isotopen, afhankelijk geweest van kernsplijtingsreactoren vanwege hun hoge opbrengst aan hoogenergetische neutronen. Maar recente ontwikkelingen op het gebied van fusie met botsende bundels, oftewel versnellerfusie, maken fusie tot een handigere manier om neutronen te produceren dan kernsplijting.
Op het grootste schaalniveau van fusie met botsende deeltjesbundels bevinden zich enorme deeltjesversnellers, zoals de Spallation Neutron Source in het Oak Ridge National Laboratory, die enorme hoeveelheden neutronen produceren en voornamelijk worden gebruikt voor onderzoek naar neutronenverstrooiing. Wetenschappers maken gebruik van neutronenverstrooiing om meer inzicht te krijgen in de moleculaire samenstelling van materialen zoals metalen, polymeren, biologische monsters en supergeleiders.
Op de kleinste schaal van fusie met botsende deeltjesbundels bevinden zich neutronenbronnen met afgesloten buizen. Dit zijn zeer kleine versnellers – klein genoeg om op een tafel of werkbank te passen, en vaak klein genoeg om bij veldwerk te worden gebruikt – die werken door deeltjesbundels van deuterium- of tritiumionen op een deuterium- of tritiumdoel af te vuren, waardoor het doel een fusie ondergaat. Hoe kleiner de neutronenbron, hoe lager de opbrengst, en deze minuscule bronnen met afgesloten buis worden meestal gebruikt voor werkzaamheden waarbij slechts een lage neutronenopbrengst van een draagbare bron nodig is, zoals metingen in oliebronnen, steenkoolanalyse en de meeste toepassingen van neutronenactivatieanalyse. Deze bronnen met afgesloten buis worden op grote schaal gebruikt in de aardolie-industrie.
Tussen de enorme spallatiebronnen en de minuscule neutronenbronnen met afgesloten buis bevinden zich de neutronengeneratoren met hoge flux van SHINE. Onze neutronengeneratoren met hoge flux werken volgens dezelfde basisprincipes als bronnen met gesloten buizen, maar zijn enorm opgeschaald ten opzichte van neutronenemitters ter grootte van een tafelblad, zodat ze kunnen worden ingezet in dezelfde industriële en onderzoeksniche met hoge opbrengst als conventionele kernsplijtingsreactoren. Onze systemen maken gebruik van inertiële elektrostatische fusie, niet van fusie door magnetische opsluiting – wat betekent dat het plasma wordt ingesloten door een sterk elektrisch veld, niet door een magnetisch veld.
Het beeldvormingscentrum van ons zusterbedrijf Phoenix in Fitchburg, Wisconsin, maakt gebruik van een neutronenbron met hoog rendement voor het uitvoeren van neutronenradiografie, wat van cruciaal belang is voor fabrikanten in de lucht- en ruimtevaart; ondertussen zal onze productiefaciliteit voor medische isotopen op onze campus in Janesville, Wisconsin, onze op versnellers gebaseerde nucleaire technologie inzetten om potentieel levensreddende nucleaire geneesmiddelen te produceren voor diagnostische en therapeutische procedures. Door gebruik te maken van onze fusietechnologie zijn wij ervan overtuigd dat onze Mo-99-productiefaciliteit de komende jaren in staat zal zijn om in meer dan een derde van de wereldwijde vraag naar molybdeen-99 te voorzien, wat tienduizenden diagnostische procedures per dag mogelijk maakt!
Zal onderzoek naar kernfusie ons een toekomst met fusie-energie opleveren?
Om de cirkel rond te maken wat betreft het streven van de mensheid om de kracht van de zon te temmen: hoewel neutronenbronnen met hoge opbrengst uit kernfusie niet geschikt zijn voor het realiseren van de wetenschappelijke heilige graal – een kernfusiecentrale – kunnen ze wel worden ingezet om ons te helpen dat doel te bereiken. Om gecontroleerde fusie-energie als energiebron werkelijkheid te laten worden, hebben we sterkere materialen nodig voor gebruik in een kernfusiesysteem en reactoren, zoals supergeleidende magneten en afschermingsmateriaal dat bestand is tegen de extreme bedrijfsomstandigheden. Door middel van technieken zoals neutronenverstrooiing en stralingsverharding kunnen we het fusieonderzoek bevorderen om de reactor voor de fusie-energiecentrale van morgen te ontwerpen en te ontwikkelen.
SHINE’s visie op kernfusie als energiebron
De vierfasenvisie van SHINE schetst een praktische, stapsgewijze aanpak voor het verbeteren van de fusietechnologie en het overwinnen van de technologische hindernissen voor fusie-energie door het verkennen van toepassingen van kernfusie op zowel korte als lange termijn, waaronder geavanceerde industriële inspectie, de productie van medische isotopen en de recycling van nucleair afval. Wij zijn ervan overtuigd dat onze aanpak voor het bevorderen van kernfusie onze beste kans is om het ultieme op het gebied van atoomenergie werkelijkheid te laten worden voor de wereldwijde beschaving – en daarbuiten.
Lees meer over de fusie-neutronengeneratortechnologie van SHINE