Broodje aap en Brood geeft energie
Ter inleiding van zijn lezing over kernfusie confronteert prof. dr. Niek Lopes Cardozo het publiek met een drietal tellers, die de toename van de wereldbevolking, de opwarming van de aarde en de CO2 uitstoot illustreren. Deze tellers, alle drie gestaag aan het oplopen, maken ons onrustig, volgens Lopes Cardozo. Ze confronteren ons met allerlei problemen van de wereld, zoals overbevolking en klimaatverandering.
De CO2 uitstoot staat evenredig aan het energieverbruik uit fossiele brandstoffen. De vraag naar energie is de afgelopen eeuw boven alle verwachtingen uit gestegen. De vraag is harder gestegen dan wat fossiele brandstoffen ons kunnen bieden. Naar verwachting is aan het eind van de 21ste eeuw deze voorraad uitgeput. Er zal dus energie moeten worden geput uit andere bronnen.
Het energieverbruik staat in relatie met welvaart. In vele delen van de wereld is welvaart nog opkomend en de verwachting is dan ook dat in de komende eeuw de vraag naar energie met een factor 4 zal stijgen. Dit voorspelt een grote stijging van de CO2-uitstoot, wat ook waargenomen wordt. Door de tijd heen hebben temperatuur en CO2 uitstoot altijd fluctuaties laten zien. Echter, de laatste decennia stijgen beide ver boven de fluctuatie lijn uit. Vooral in Nederland nemen we, mede door de grote bevolkingsdichtheid, fikse temperatuurstijgingen en CO2-uitstoot waar.
De huidige energie wordt momenteel voor driekwart gewonnen uit fossiele brandstoffen, als olie, kolen en gas. Vanwege uitputting van deze bronnen moeten deze op korte termijn worden vervangen door duurzame energie, waar zonne-energie, windenergie en kernfusie onder vallen.
Met zonne-energie en windenergie hebben de meeste mensen wel enige affiniteit. De zon is dagelijks te zien en de wind te voelen. De energie, in de vorm van zonnewarmte en windkracht, is tastbaar. Kernfusie is echter minder goed te bevatten en minder alledaags. Toch is kernfusie daar wel uit af te leiden. Kernfusie zorgt namelijk voor het ontstaan van de energie van de zon. Door dit proces in fusiereactoren toe te passen, ontstaat elektrische energie die kan voorzien in het mondiale energieverbruik.
Een fusiereactor, zoals ze die in Zuid-Frankrijk aan het bouwen zijn, de 'ITER', is een relatief klein apparaat in verhouding tot de energie die hij produceert. Een dergelijke reactor zet isotopen van een waterstofatoom om in energie. Deze omzetting gebeurt via de zogenaamde D-t reactie. Bij die reactie wordt een deuterium- en een tritiumkern, beide isotopen van eenwaterstofatoom, omgezet in een heliumkern, een neutron en een ongelooflijke hoeveelheid energie. Deze reactie is schoon, veilig en leidt niet tot CO2-uitstoot.
Met andere woorden: één slok water kan een doorsnee huishouden voor één dag van energie voorzien. Als we dit doorrekenen, kan worden geconcludeerd dat de oceaan voldoende fusiebrandstof bevat om de aarde voor de komende 50 miljard jaar van energie te voorzien. Dit is zelfs negen keer meer dan we naar verwachting nodig hebben, aangezien de zon over 6 miljard jaar uitgedoofd zal zijn.
Zoals elke reactie heeft ook deze reactie een ontsteking nodig. Ontsteking vindt pas plaats bij een temperatuur van 150 miljoen graden Celsius. Bij deze temperatuur vallen de waterstofatomen uiteen in elektronen en ionen en ontstaat er een plasma. Dit zorgt voor initiatie van de reactie. Om de reactie lopend te houden, moet deze temperatuur behouden blijven. Warmteverlies moet dus worden voorkomen. Dit gebeurt via isolatie met behulp van magneten. Magneten initiëren een magneetstroom die voorkomt dat de geladen deeltjes in aanraking komen met de wand van de buis waarin de reactie plaatsvindt. Dit wordt ook wel magnetische opsluiting genoemd. Het reduceert warmteverlies van het hete plasma aan de wand met een factor 10 15.
Vanwege onbekendheid met kernfusie twijfelen veel mensen aan de veiligheid ervan. Om meerdere redenen kan kernfusie echter als zeer veilig worden beschouwd. Allereerst is de D-t reactie geen kettingreactie, maar een gewone verbranding. Die leidt niet tot initiëring van meerdere processen. Daarnaast is er maar weinig brandstof nodig voor de productie van veel energie en zijn de gassen die ontstaan ongevaarlijk. Alleen tritium is een zwakke ?-emitter, welke erg gevaarlijk kan zijn als je hem inneemt. Echter tritium wordt in de centrale gemaakt in kleine hoeveelheden en verlaat de centrale ook niet. Daarnaast heeft tritium een korte levensduur.
De ontwikkeling van fusieonderzoek heeft de laatste veertig jaar een vogelvlucht gemaakt. Ontwikkelingen gaan erg hard. Over enkele jaren wordt verwacht dat de 'ITER' in gebruik kan worden genomen. De stap naar commerciële kernfusiecentrales is dan nog maar klein. Over twintig jaar worden de eerste centrales verwacht. Echter, kernfusie is een ingewikkeld proces.Er zal hard moeten worden gewerkt aan de daadwerkelijke realisatie van alle toekomstplannen.
Blog naar aanleiding van de lezing 'Binnenkort kernfusie?' door prof. dr. Niek Lopes Cardozo op woensdag, 22 april 2009
