ERNFUSIE: DE ZON
>P AARDE IMITEREN
in speurtocht naar nieuwe energie-bronnen
lAlternatieven
)AG 17 FEBRUARI 1973
reld vooral het geïndustrialiseerde wes-
kampt met een energie-probleem. De con-
,nele energiebronnen, kolen, olie en aard
lagen uitgeput te raken. Wat dan?
ivaar zijn de winbare voorraden fossiele
jtof nog toereikend voor meer dan een
wanneer wij althans bereid zijn er voor te
(moeilijker bereikbare reserves worden
Je consument uiteraard duurder in het ge-
dan de thans nog „makkelijk" winbare
iden) maar toch komt er ééns een eind
Vandaar dat de speurtocht naar nieuwe
intensief moet worden voortgezet, wil
obleem van vandaag mettertijd niet in een
alige crisis verkeren, die waarschijnlijk het
welvaartspeil van de ontwikkelde landen terug
zou brengen tot het niveau vaii een paar eeuwen
geleden en de ontplooiing van de ontwikkelings
landen een radicaal halt toe zou roepen.
In die speurtocht is kernfusie nog steeds favo
riet, hoewel er andere bronnen zijn, die op het
ogenblik technisch al „aangeboord" zouden kun
nen worden (en worden), terwijl het winnen
van energie uit kernfusie nog maar een op theo
retische gronden veronderstelde mogelijkheid is.
Wat is kernfusie en hoe staan de kansen, dat we
dit fundamenteel-fysische proces ooit voor ener
giewinning zullen kunnen gebruiken? Het ant
woord op die laatste vraag is zuiver speculatief,
maar er bestaat bij ingewijden wel een soort al
gemene verwachting: zonder een thans nog niet
voorziene revolutionaire doorbraak zal het nog
wel een jaar of tien duren aleer wij weten, in
welke richting een oplossing moet worden ge
zocht voor de nu nog onoverwinnelijk schijnen
de technische problemen. Daarna moet nog jaren
worden uitgetrokken voor ontwikkelingswerk,
alvorens de eerste (experimentele) fusie-cen
trale „draait".
Vóór het magische jaar 2000 zal vermoedelijk
kernfusie nog geen indrukwekkende bijdrage
hebben kunnen leveren aan de voorziening in
een dan verveelvuldigde wereldbehoefte aan
energie.
atoomkern liggen enorme
leden energie opgesta-
ior het eerst werden deze gl-
energieën door de mens
kt in de atoombommen,
de tweede wereldoorlog
sloten. Daarbij ging het om
sing. De atoomkern van
ementen zoals uranium heeft
t energie nodig om „bij el-
blijven". Splitst men zo'n
e kleinere kernen, die
minder bindingsenergie be-
dan blijft er een grote hoe
energie over, die in de vorm
aling en warmte vrij komt.
eeft enkele Jaren na de twee-
Idoorlog geduurd, alvorens
kernsplijtingsproces niet ex-
zoals in de bom maar be-
gebruiken kon om warmte
iceren. die weer gebruikt werd
r middel van stoom-produk-
langs conventionele weg elek-
op te wekken. Over de gehele
thans vele tiental-
mcentrales" van dat type
staande uiteenzetting over
pcipe van de kernsplitsing is
simplistisch. Er komt veel
te pas, zoals de omzetting
"jterie in energie volgens de
formule van Einstein: E
Maar 't is in 't bestek van
esijhouwing niet nodig, ons
verdiepen,
er grote bezwaren verbon-
de energiewinning door
ng. In de eerste plaats
bij het proces vrij veel
itdef afval vrij, waarmee we
jezegd nog niet goed weg we
ker de eerste tientallen Ja-
i (dit blad van 28 okt. J.l.
schreven wij daarover uit-
In de tweede plaats zijn de
i uranium, die voor het pro-
zijn, beperkt. Bovendien
uranium, eenmaal gewon-
erts, kostbare bewerkingen
an tot men een geschikte
(verrijkt met een bepaal-
op) heeft verkregen, een nog-
geschiedenis, die ook tot
bederf kan leiden,
ns prof. dr. J. J. Went, o.m.
ewoon hoogleraar in de reac-
!e aan de TH in Delft, is er
op de wereld ongeveer een miljoen
ton uranium bekend, dat kan wor
den gewonnen tegen 'n prijs van on
geveer 70 gulden per kg. Op 't ogen
blik is de prijs aan de lage kant, nl.
circa 45 gulden. Het exploiteren van
moeilijker bereikbare voorraden (tot
4 miljoen ton) brengt de kosten per
kg op ruim 200 gulden. Die Ihoe-
veelheid is overigens nog maar een
kwart procent van het uranium, dat
in zeewater zit. Maar de winning
uit zeewater brengt nog veel hogere
kosten mee. De prijs wordt dan ver
moedelijk in de buurt van 500 gul
den per kilo, bijna het honderdvou
dige van de huidige prijs.
Een methode om de schaarste aan
uranium te ondervangen is het bou
wen van „kweek-reactors", waarin me
behulp van uranium en thorium be
halve energie ook de splijtstof plu
tonium wordt geproduceerd. Maar
dergelijke snelle kweek-reactors zijn
nog niet geconstrueerd, en boven
dien hebben zij nadelen van milieu
technische aard.
Kernfusie
Een geheel ander procédé van ener
gie-winning uit de atoomkern is de
kernfusie: daarbij worden niet zwa
re atoomkernen gesplitst in lichtere,
maar lichte atoomkernen samenge
smolten tot zwaardere. Ook daarbij
komen grote hoeveelheden energie
vrij, die niet meer nodig zijn voor
de samenbundeling van de kernen.
Merkwaardig is dat wij al van het
ontstaan van de aarde af de beschik
king hebben over kernfusie-centrale,
en dat wij daar nu toch nog naar
stig naar moeten zoeken. Iedere ster,
dus ook de zon, is zo'n centrale. De
zon ontleent haar uitgestraalde
energie aan kernfusie-processen. Het
leven op aarde en vrijwel alle ener
gie die de mens tot duver gebruikte,
waren niet denkbaar zonder die zon-
ne-energie, die ons warmte geeft,
planten en dieren laat groeien, me
de daardoor indirect gezorgd heeft
voor vorming van steenkool, oüe,
aardgas en andere krachtbronnen als
wind en water.
Het bezwaar is evenwel, dat die
„kosmische fusie-centrale" zover
verwijderd is, althans uit het oog
punt van energievoorziening. De
aarde en haar atmosfeer ontvangen
nog niet de helft van een honderd-
miljardste deel van de door de zon
uitgestraalde energie, die dan nog
voor een groot deel door de atmosfeer
wordt geabsorbeerd. Bij een latere
beschouwing over „alternatieve"
energiebronnen hopen wij iets meer
te vertellen over de mogelijkheden,
die zonne-energie biedt voör oplos
sing van de problemen van vandaag.
Thans gaat het er om, dat de mens
zoekt naar methoden de zon op aarde
na te bootsen, en door kernfusie in
de energiebehoefte te voorzien.
Voor het samensmelten van twee
atoomkernen moet aan enkele voor
waarden worden voldaan. De kernen
moeten „gesitript" worden, dwz. ont
daan van de elektronenschillen, waar
van zij in een normale atoom-
configuratie zijn voorzien, en zij
moeten voldoende snelheid hebben,
cm elkaar te treffen zonder dat zij
elkaar door hun wederzijdse positie
ve lading afstoten. Die snelheid of
kinetische energie is de temperatuur.
Een hoge temperatuur is ook nodig
om de elektronen los te maken van
de kern. Zo'n mengsel van niet meer
aan elkaar gebonden kernen en elek
tronen heet een "plasma" hetgeen
wel de vierde aggregatietoestand
van een stof wordt genoemd (de an
dere drie zijn vast, vloeibaar en gas
vormig).
De benodigde temperaturen zijn
inderdaad zeer hoog: honderden mil
joenen graden.
Alle materialen op aarde smelten
er verdampen bij derdelij ke tempe
raturen onherroepelijk. Het is dus
uJet mogelijk, 'n plasma op normale
wijze bijeen te houden. Dit kan
slechts door middel van sterke mag
neetvelden, dus in 'n soort magne
tisch vat.
In vele laboratoria ter wereld expe
rimenteert men thans met deze tech
niek. Men verhit de gronidstof voor
het procédé bv. deuterium of zware
waterstof met een kern bestaande uit
een proton en een neutron) tot die
hoge temperatuur langs elektrische
weg terwijl deze zich in een ronde
overigens luchtledige buis bevindt,
waaromheen krachtige elektromag
neten zorgden voor concentratie van
het plasma in de kern van de buis,
zonder dat het plasma de wanden
roakt.
Onder die omstandigheden kan fu
sie van de kernen optreden. Maar om
het proces nuttig te maken voor
energievoorziening, moeten zowel
temperatuur als nauwkeurig geregel
de atmoferische druk binnen het
plasma (circa een duizendste van de
normale luchtdruk) langdurig in
stand gehouden worden dat is tot
dusverre niet gelukt, slechts voor
minieme fracties van seconden. Een
van de voornaamste oorzaken daar
van is, dat het plasma zich onhan
delbaar" gedraagt, niet in vorm wil
blijven en bovendien plaatselijke
dichtheidsveranderingen gaat ver
tonen.
Op eigen kracht
Lukt de fusie wel gedurende enige
tijd, dan komt uit het plasma een
grote hoeveelheid energie vrij, vooral
ir de vorm van snelle protonen of
neutronen. Wanneer deze worden op
gevangen en „afgeremd" ontstaat
daarbij warmte, die op twee manie
ren gebruikt kan worden: voor het
leveren van de energie die nodig is
om het proces op gang te houden
(c.m. op temperatuur houden van
het plasma en het in standhouden
vsn de magneetvelden) en voor
het produceren van energie voor ge
bruik, bv. elektriciteit. Op die wijze
ontstaat een zichzelf voedende reac
tie, die bruikbare energie levert.
Kernfusie is al op aarde verwe
zenlijkt, namelijk in de waterstofbom.
Maar daarbij gaat het om een on
beheerst explosief procent. De beno
digde hitte wordt in die H-bom gele
verd door een conventionele atoom-
splitsingsbom. Voor de energievoor
ziening hebben we daar niets aan.
Bij beheerste kernfusie komen on
voorstelbare hoeveelheden wel
bruikbare energie ter beschikking
van de mensheid, waarvoor de
grondstoffen nagenoeg onuitputte
lijk zijn.
Fusie van de kernen van 1 gram
deuterium bv. levert maximaal een
energie van 100.000 kWh. Dat is vol
doende voor twintig normale gezin
nen, gedurende een jaar!
Deze gram deuterium is met heel ge
ringe kosten te winnen uit 30 liter
water, waarvan de wereldzeeën een
onuitputtelijke voorraad hebben.
Voor dezelfde energie is de verban-
cUng van 10.000 liter benzine no
dig
Overigens lijkt het thans waar
schijnlijk, dat niet alleen deuterium
maar b.v. ook tritium (een proton
en twee neutronen) nodig zal zijn
om een ketting-fusiereactie te onder
houden. Tritium kan vrije eenvoudig
worden vervaardigd door reactie van
lithium met neutronen. Voor de
grondstofvoorziening van het fusie
proces is dit geen enkel praktisch
bezwaar.
Een groot probleem is wel, dat men
pij de huidige experimenten met te
genstrijdige factoren rekening moet
houden. Aan de ene kant werkt men
met extreem hoge temperaturen van
het plasma, aan de andere kant met
extreem lage temperaturen voor de
magneten. Die kunnen namelijk
slechts een sterk genoeg magnetisch
veld op korte afstand verwezenlij
ken wanneer gebruik wordt gemaakt
van de super-geleiding, die in het
benodigde elektrisch geleidende ma
teriaal optreedt bij extreem la
ge temperaturen, nabij 't absolute
r.ulpunt (circa 273 graad Celsius
onder het vriespunt.
Kernfusie is onlangs weer in het
nieuws gekmoen door het beridht, dat
Amerika aanzienlijke bedragen stopt
in het onderzoek van de mogelijk
heden, een laserstraal in plaats van
een conventionele atoomboom te ge
bruiken als „slaghoekje" voor een
waterstofbom. Met 'n laserstraal, die
in een smalle niet divergerende bun
del monochromatische elektromag
netische straling met zeer hoge ener
gie kan concentreren op een klein
punt, zijn wellicht de temperaturen
te bereiken, die een fusieproces aan
de gang zetten. Dit zou dan in eerste
instantie een militair doel hebben
(met het onheilspellende gevaar dat
ook kleine naties over een H-bom
zullen beschikken), maar er zijn ook
experimenten aan de gang om be
heerste kernfusie door middel van
laser-verhitting te verwezenlijken.
Nadat de Russen begonnen waren
met plasma-experimenten in de To-
kamak (Toroïde Kamer Machine) in
het Moskouse Kurchtow Instituut
werd later een betere versie onder de
naam Symmetrische Tokamak ge
bouw in Ihet Plasmafysisch Labo
ratorium in Princeton (VS). Hierin
wordt zowel met krachtige elektro-
renbundels als met laserimpulsen ge
werkt om de vereiste temperatuur
van t plasma te verkrijgen. Het
lukte deze ST echter niet, een fusie
proces op gang te brengen.
Nieuw experiment
Men liet zich niet uit het veld
slaan en men heeft een nieuw in-
strumet, dat de FM wordt genoemd.
Deze FM bestaat uit een vijftien
meter lange ringvormige buis van
supra geleidend materiaal. Deze met
vloedbaar helium gevulde ring wordt
door een magnetisch veld opgetild en
hangt dan vrij in de ruimte. Het
plasma, gevangen in het magnetisch
veld van de ring stroomt nu niet ih
de buis zoals voorheen maar rond de
buitenkant daarvan. Het extreem
hete plasma heeft dan een extreem
koude kern gekregen. Het geheel be
vindt zich dan weer in een herme
tisch gesloten dikke buis. die afge
zien van Ihet plasma luchtledig is.
Met deze nieuwe machine hoopt
nen binnen afzienbare tijd belang
wekkende resultaten te verkrijgen,
die de oplossing van de problemen
rond de kernfusie aanzienlijk dich
terbij zal brengen.
Wetenschap en
technologie
door P. Bok
<r Enkele van de kernfusie-reacties, die voor het procédé van
energie-winning van belang kunnen zijn, schematisch in beeld
gébracht. Het onderste deel van de tekening geeft de verkla
ring van de symbolen voor de verschillende kernen en kern
deeltjes. Links van de pijlen staan de uitgangsprodukten. De
pijlen duiden het versmeltingsproces aan en rechts daarvan
staan de produkten van de fusie aangegeven benevens de
daarbij vrijkomende energieën. Het meest aantrekkelijke lijkt
de 3e mogelijkheid, de fusiereactie van deuterium met tritium,
omdat bij dit proces veel energie vrijkomt en de grondstoffen
eenvoudig te verkrijgen zijn. Maar bij die reactie zullen onge
twijfeld ook vele deuterium-kernen samensmelten volgens de
bovenaan geschetste reactie. Enkele meer gecompliceerde reac
ties, die ook van belang kunnen zijn (b.v. tussen lithium-6 en
protonen of hélium-3 of deuterium hebben wij niet aangegeven.
t
Het energie-probleem kan nog op andere wijzen worden opgelost
dan door toepassing van kernfusie. In de eerste plaats kan men
er naar streven, minder energie te gebruiken. Dat is een methode,
die veel aanhangers heeft onder de fervente milieu-beschermers.
Maar de consequentie daarvan is wel een teruggang in materiële
welvaart. Het is mogelijk, dat dit het menselijk geluk op den duur
ten goede zou komen, maar dan moet de huidige generatie zich
comfort gaan ontzeggen, dat tot de normale dingen van de dag
behoort, althans in het geïndustrialiseerde westen. Dat zien we
eerlijk gezegd nog met zo ..zitten". Voorts is de consequentie, dat
optrekken van de welvaart van de ontwikkelingsgebieden naar het
westerse peil afgeremd moet worden. Juist dat „optrekken" zal een
enorme aanslag doen op de huidige energie-reserves. Voorts moet
niet worden vergeten, dat de wereldbevolking dan ook niet mag
groeien. En dat laatste te eisen is aanmatigend voor het westen
tegenover de ontwikkelingslanden, waar de bevolking „explodeert".
Men kan het nauwelijks een recht van het westen achten om ge
boortebeperking elders af te dwingen. Toch zou dat laatste een
voorwaarde moeten zijn om de oplossing van het energieprobleem
te zoeken in de richting van vermindering van het energieverbruik.
Dan zijn er nog oplossingen mogelijk door meer gebruik te maken
van andeer energiebronnen dan de huidige of kernfusie. Die moge
lijkheden zijn er te over: zonne-energie, waterkracht, windkracht,
getijden-centrales, aftapping van de warmte-energie in zeer diepe
lagen van de aarde, energiewinning uit door atoombommen ver
vaardigde „ovens" diep in de aarde etc. Maar al die mogelijke
energiebronnen lijken op den duur minder economisch en in vele
opzichten (ook voor de milieubeschermers) minder aantrekkelijk
dan de kernfusie, die alleen maar thermische milieuverontreiniging
zou veroorzaken en dan nog op bescheiden schaal. Wellicht komen
wij op de „alternatieven" voor de energievoorziening in de naaste
toekomst uitvoeriger terug.
Links een foto van het nieuwe FM-apparaat
in Princeton, waarin zowel met elektronenbun
dels als met laser-impulsen wordt gewerkt om
fusiereacties in het plasma op te wekken. Duide
lijk zichtbaar in het midden van de foto de dikke
ring, waarin zich in een overigens luchtledig het
plasma en daarbinnen de supergeleidende ring
van vloeibaar helium bevindt. De proefopstelling
moet worden "bestuurd" en gecontroleerd door
twee grote computers om het ingewikkelde sa
menspel van extreem hoge en extreem lage tem
peraturen goed te laten verlopen. Duizenden ge
gevens over het verloop van een experiment moe
ten in fracties van seconden worden veriverkt en
geëvalueerd om te voorkomen, dat er iets uit de
hand loopt. Zou dat laatste het geval zijn, dan
treft de computer automatisch de maatregelen
die nodig zijn om het experiment gevaarloos te
stoppen. Hierboven voorts een schets van het
principe van de FM in Princeton. A wijst naar
de supergeleidende ring, B naar het plasma die
zich beide bevinden in een overigens luchtledige
ringvormige trommel (c).
