Vragen bij de kernfusie

'Die kernfusie, wordt dat nog wat?' Zelfs zo'n vraag waarin de twijfel doorklinkt hoor je niet vaak meer. Het is alsof de nieuwe generatie er niet meer in gelooft. 'Misschien over dertig jaar, als we erg ons best doen', antwoorden de betrokkenen. Ze zijn voorzichtig geworden.

Dertig jaar geleden stond de fusiereactor al op een Amerikaans tekenbord. Men had zojuist kernfusiereacties in zware ontploffingen weten te ontsteken en beloofde ze nu ook te zullen beheersen. Of beter: men geloofde ze te kunnen beheersen. Daar was immers alleen maar een stabiel, heet plasma voor nodig waarvan men het gedrag behoorlijk dacht te kennen. En zo werd hij dus getekend, de Stellarator D van Princeton, een opmerkelijk voorbeeld van utopian engineering. Maar het had geen zin hem te bouwen, want het plasma bleek zich anders te gedragen dan men dacht.

Dertig jaar waren er nodig om het 'abnormale' plasma, met zijn collectieve effecten, instabiliteiten en filamenten, fluctuaties en sterke stochastiek enigszins te leren kennen. Daar was weer de ervaring met vele, stapsgewijs ontwikkelde proefopstellingen voor nodig, de piecemeal engineering.

Nu pas is men zover dat een reactor gebouwd kan worden die waarschijnlijk fusie-energie zal leveren, ITER genaamd, een enorme tokamak die meer dan 10 miljard gulden moet kosten. 'Maar tot dusver weten we niet hoe het kleiner zou kunnen', zegt C.M. Braams. Ook nu nog is er gebrek aan kennis, die door een overmaat aan middelen opgevangen moet worden.

Wat rechtvaardigt zo'n moeilijke en kostbare ontwikkeling? De directeur van het Europese fusieprogramma zegt (vrij vertaald): 'Als fusie energie gaat leveren, zullen er minstens 8 miljard mensen zijn. De totale behoefte aan energie kan alleen maar toenemen. Waar zal al die energie vandaan komen? Je kunt eigenlijk geen bron uitsluiten. En toch heeft elke bron bepaalde nadelen. Fossiele brandstoffen verzuren de omgeving en verwarmen de globe misschien. Zon en wind lijken duur en tasten de omgeving fors aan. Kernsplijting geeft zorgen om de veiligheid en het afval, eventueel ook proliferatie. Daar hoef je bij kernfusie niet bang voor te zijn, maar misschien is fusie duur.'

Is dit een dwingend argument? Is kerntechniek een logisch antwoord op het bevolkingsprobleem? Is de high tech van fusie met name een panacee die ook nog goed is voor het milieu? Laten we er niet verder op ingaan, maar ons beperken tot vragen over de gebrekkige kennis van het plasma waarin het fusievuur ontstoken zal worden.

Voorlopig richt men zich op de kernreactie van deuterium met tritium, waarvoor een temperatuur T van 108 K voldoende is. Als n de dichtheid van het deuterium-tritiumplasma is, dan heerst daar dus een druk van nkT (k is de constante van Boltzmann), die gelijkwaardig is met een energiedichtheid. Zo'n energiedichtheid moet door instraling tot stand worden gebracht en voldoende lang, gedurende een tijd τ, in stand worden gehouden om fusie mogelijk te maken. Voor een netto resultaat moet de thermische vermogensdichtheid

hT = nkT/τ

worden overtroffen door de vermogensdichtheid die het gevolg is van fusiereacties

hε = εΣ(nv)

Hier is ε de energie die bij fusie van een deuteriumkern met een tritiumkern vrijkomt, Σ de macroscopische werkzame doorsnede van de reactie en v de thermische snelheid van de kernen; (nv) is hun 'flux'. Omdat Σ gegeven wordt door (nσ), met σ de microscopisch werkzame doorsnede, en hε > hT, volgt uit deze vergelijkingen dat

nτ > kT/(εσv)

Bij de genoemde T hebben σ en v een vaste, bekende waarde waardoor een ondergrens voor het nτ-produkt wordt bepaald. In proefopstellingen is men die grens dicht genaderd. Om er bovenuit te komen, is niet zozeer een verhoging van n (zo'n 1020 m-3) nodig, alswel een verlenging van τ (tot vele seconden).

Juist in de standtijd τ, die verlengd moet worden, komt het gebrek van onze kennis tot uitdrukking. Zoals bekend mag zijn wordt het plasma door een uitwendig aangelegd magnetisch veld in een ringvormige buis opgesloten. De veldlijnen sluiten na rondgang door zo'n torus op zichzelf aan. In de tokamak geleiden ze een plasmastroom, die maakt dat loodrecht op het uitwendig aangelegde veld een extra magnetisch veld ontstaat. Het resultaat is dat de rondgaande veldlijnen spiraalvormig worden. Langs die lijnen is de stroom (een deeltjestransport) gemakkelijk, en loodrecht daarop moeilijk. Evenzo is het warmtetransport (een gevolg van deeltjesbotsingen) langs de lijnen groot, en loodrecht daarop klein. Binnen in de torus kan het dus heet zijn terwijl het buiten, waar een wand is, koud is. Hoe kleiner het 'loodrechte' warmtetransport, des te langer de standtijd τ van een hoge temperatuur die men door instraling in het binnenste tot stand heeft gebracht.

Het loodrechte transport blijkt 'abnormaal' te zijn. Honderd keer groter dan oude incoherente botsingstheorie leerde, tien keer groter dan nieuwe coherente botsingstheorie leert. Dat is onze verlegenheid. We begrijpen de overheersende koelingsprocessen van het plasma niet. Ze lijken grillig. Is chaos de oorzaak? Als de plasmastroom niet gelijkmatig over het plasma verdeeld is, maar de neiging heeft zich in filamenten samen te trekken, zal het extra magnetisch veld fluctueren. 'Het kan zijn dat de veldlijnen niet netjes als spiralen in de torus lopen, maar een kluwen vormen' speculeert F.C. Schüller, die ook het beeld van wapperende veldlijnen gebruikt. Misschien sluiten ze na een rondgang niet altijd op zichzelf aan. 'Er zullen veldlijnen zijn die van het hete midden uitgaan en kronkelend uiteindelijk op de koude wand eindigen'. Dat zou me een warmteverlies geven!

Hoe kan men toch voorstellen ITER te bouwen als deze fundamentele processen niet bekend zijn? De voorvechters wijzen op hun ervaring dat τ verlengd kan worden door de reactor groter te maken. Ze spreken van fenomenologische schaalwetten. Maar mag je die ervaring wel extrapoleren als de processen grillig zijn? Kun je meer dan 10 miljard gulden rechtvaardigen als je niet eerst voor procenten van dat geld die extrapolatie hebt onderbouwd? Ik vind van niet.


Free web hostingWeb hosting