Kernfusie, een zon op aarde

Het fusieproces dat de zon en de sterren van energie voorziet - de fusie van waterstofkernen - is niet geschikt om op aarde te gebruiken. De reden hiervoor is dat het proces slechts zeer langzaam verloopt: eigenlijk brandt de zon op een laag pitje. Dat er toch zoveel energie vanaf komt is te danken aan de enorme afmeting van de zon, en de dientengevolge enorm hoge druk in het centrum.

Hoewel er vele denkbare fusiereacties mogelijk zijn, zijn er maar een paar interessant voor fusie op aarde. Dat zijn de reacties die bij een relatief lage temperatuur en druk toch een redelijke reactiewaarschijnlijkheid hebben. De fusiereactie die op aarde het gemakkelijkst tot stand te brengen is, is de reactie tussen de waterstof-isotopen deuterium en tritium:

D + T => ⁴He + n + 17.6 MeV

Hierin staat D voor deuterium (het stabiele isotoop van waterstof, met één proton en één neutron in de kern), T voor tritium (het radioactieve isotoop van waterstof, met één proton en twee neutronen in de kern), ⁴He voor helium, en n voor neutron. De reactie is afgebeeld in figuur 1. De vrijkomende energie wordt uitgedrukt in mega-elektronvolt (1 MeV = 1.602·10^-13 Joule). Om voldoende fusiereacties te produceren moet de temperatuur van het plasma ongeveer 150 miljoen graden Celsius bedragen.

Bij een fusiereactie komt ongeveer vier miljoen maal meer energie vrij dan bij een chemische reactie, zoals bijvoorbeeld bij de verbranding van koolstof. Dat enorme verschil zorgt er voor dat een fusiecentrale - vergeleken met bijvoorbeeld een kolencentrale - slechts een minimale hoeveelheid brandstof nodig heeft. Om een elektriciteitscentrale van 1000 MW (de grootte van een gemiddelde kolencentrale) een jaar lang aan de gang te houden, moet ongeveer 2,7 miljoen ton steenkool worden verbrand. Dezelfde hoeveelheid energie kan in een fusiecentrale worden opgewekt door de fusie van slechts 250 kilogram van een deuterium-tritium mengsel.

De D+T reactie is niet de enige mogelijkheid voor een fusiecentrale; ook bijvoorbeeld de fusie tussen twee deuteriumatomen (D+D) is mogelijk. Deze reactie zou het gebruik van tritium overbodig maken, en bovendien hebben de geproduceerde neutronen een lagere energie, zodat ze gemakkelijker zijn op te vangen en minder schade toebrengen aan de reactorwand. Voor deze reactie is echter een hogere temperatuur nodig, dus voorlopig liggen de mogelijkheden van deze 'geavanceerde' fusiereacties nog in de toekomst, en is alleen de D+T reactie relevant voor de eerste generatie fusiecentrales.