Fusie-energie dreigt onbereikbaar te worden door gebrek aan ‘brandstof’

MAST-reactor

Opname van de relatief kleine MAST-fusiereactor van het tokamak-type uit het Verenigd Koninkrijk


Tritium is een belangrijke (wezenlijke?) component voor het fusieproces tussen twee waterstofisotopen (deuterium en tritium). Bij fusie van twee kernen ontstaan heliumkernen (4He) en een hoop energie: zon op aarde spelen. En die energie zou schoon zijn. Die levert (haast) geen radioactieve producten zoals broer kernsplitsing, de ‘normale’ vorm van kernenergie. Klein probleempje: tritium is vreselijk schaars. ITER, de fusiereactor in aanbouw in Frankrijk, nog steeds een proefreactor, zou in zijn eentje bijna alle tritiumvoorraden opslokken. Wordt kernfusie een doodgeboren kind?De meeste fusiewetenschappers halen hun schouders op over dat dreigende tekort. Toekomstige fusiereactoren zouden zelf tritium kunnen genereren. Zeer energierijke neutronen zouden lithium kunnen splitsen in helium en tritium. Lithium zou ruim voorhanden zijn op deze aarde, maar de batterijmakers maken zich nu al druk over nieuwe vindplaatsen van dit lichte metaal. Bovendien om lithium te kunnen splitsen heb je een werkende fusiereactie nodig.

Er zijn in Canada en Zuid-Korea een deuterium/uraanreactoren (CANDU) die tritium produceert als bijproduct, zo’n 0,5 kg per jaar. Daar zou nu 25 kg van zijn bewaard, maar tritium heeft een korte halveringstijd (iets meer dan twaalf jaar) waardoor die voorraad steeds minder waard zal worden als tritiumbron. Dat zal alleen maar snel minder worden als ITER in actie komt. Als ITER eenmaal met tritium begint gaat er 1 kg per jaar door. Sommige fusiedeskundigen denken zelfs dat het niet mogelijk is om tritium te synthetiseren met een reactor die daar niet voor gemaakt is.
Tritiumkrapte is niet het enige probleem dat de fusiedroom dreigt te verstoren maar wel het grootste. De bedrijvers van fusie zullen oplossingen moeten zien te vinden voor allerlei malheur die zo’n ‘gewelddadig’ proces als fusie aankleven zoals plasmaontploffingen en neutronenschade, maar het lijkt er op dat die tritiumkrapte toch een probleem is dat ‘dodelijk’ kan worden voor kernfusie in de praktijk. “Dat zou deuterium/tritiumfusie onmogelijk maken”, stelt Daniel Jassby, een inmiddels gepensioneerd plasmafysicus.
Zonder CANDU’s zou kernfusie zelfs onmogelijk zijn, stellen andere fusiedeskundigen. Als er te veel tritium in het zwaar water terechtkomt dat CANDU-reactoren als koelmiddel gebruiken dan ontstaat er een stralingsprobleem en moet het zware water worden onttritiumd. CANDU’s zijn oud, soms al vijftig en die hebben ook niet het eeuwige leven en voor ITER begint is het 2025 of zelfs later en zal dan pas tien jaar later tritium inzetten.

Alternatieven

Er zijn bedrijven die kleinere fusiereactoren willen bedrijven, maar na ITER zullen China, de VS en Zuid-Korea zich ook wel in de strijd mengen. De Europese opvolger van ITER, DEMO, is nu al bedacht zal de helft groter zijn dan ITER en stroom moeten leveren (500 MW, niet eens erg groot).
De ontwerpers van DEMO zijn al bezig met dat krapteprobleem, maar volgens Mohammed Abdou van de universiteit van Californië in Los Angeles zal de ‘eetlust’ van DEMO voor tritium nog steeds groot zijn, ergens tussen de 5 en 14 kg, zo berekende hij met een stel collega’s. Dat zou meer zijn dan in 2050, als DEMO zal moeten worden ‘ontstoken’, voorradig zou zijn. Een grote fusiereactor van 3GW (3000 MW) verbruikt 167 kg tritium per jaar. Daar heb je honderden CANDU’s voor nodig

Zonder tritiumkweken is kernfusie gedoemd te sterven in schoonheid. In het fusieproces ontstaan relatief weinig neutronen, vele malen minder dan in kernsplitsing. Dan wordt het kweken van tritium met een fusiereactor ook navenant onpraktischer. Het is niet voor niks dat tritium dan ook gekweekt wordt in een splitsingsreactor. Abdou en andere collega’s denken dat het meer dan een uitdaging is: een onmogelijkheid. De ITER heeft hij met collega’s uitgerekend kan op zijn best 15% van zijn eigen behoefte kweken, waarschijnlijker is dat dat percentage niet boven de 5% zal uitkomen.
Een oplossing zou een fusiereactie zijn zonder tritium. Het Californische TAE Technologies op waterstof (proton) en boron, terwijl Helion in de staat Washington deuterium en 3helium wil als fusiepartners. 3Helium is echter ook weer schaars. Voor die fusiereacties heb je dan nog eens veel hogere temperaturen nodig dan voor de fusie van de twee waterstofisotopen. Deuterium/tritiumfusie werkt bij 150 miljoen °C, waterstof/boorfusie bij 1 miljard °C. Gaan er maar aan staan. Die alternatieven produceren (vrijwel) geen neutronen. Daarmee voorkom je schade aan je fusiesysteem.
Een deuterium/deuteriumfusie is geen erg aanlokkelijk alternatief om tritium te kweken aangezien die erg inefficiënt is en dan kost het kweken van de brandstof wellicht meer dan de D/T-fusiereactie kan opbrengen. Onderzoekers hebben berekend dat tritium dan gauw 2 miljard dollar per kg zal kosten, maar wezenlijk is niet het geld, maar of er onder de streep nog energie overschiet.

Tot nu toe hebben fusieonderzoekers zich met tal van problemen beziggehouden en hebben zich minder beziggehouden met zoiets ’triviaals’ als brandstofvoorkomens, stel Jassby. Nu fusiereacties in de buurt komen om meer energie te produceren dan ze kosten, wordt het wel eens tijd om je daar het hoofd over te breken, vindt Abdou.

Bron:

1 gedachte op “Fusie-energie dreigt onbereikbaar te worden door gebrek aan ‘brandstof’

  1. door neutronen van lithium-6 in een kernreactor te beschieten ontstaat tritium.
    Of we gaan het ophalen op de maan (delven)
    Wellicht kunnen we het ook als gas uit de staart van een komeet ontrekken..

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.