Kernfusie, een zon op aarde

Figuur 8. Waterstof en de isotopen deuterium en tritium

Eén van de belangrijkste voordelen van fusie-energie is dat de brandstof zo goed als onuitputtelijk is, goedkoop, en voor iedereen toegankelijk. Bovendien is er maar zeer weinig brandstof nodig: om een elektriciteitscentrale van 1000 MW een jaar lang te laten draaien is 250 kg deuterium-tritium mengsel nodig.

Figuur 9. De fusiereactie tussen deuterium en tritium. Uit de reactie komt een heliumkern, een neutron, en veel energie.

Deuterium is het niet-radioactieve isotoop van waterstof. Zo'n 0,015% van alle waterstof op aarde is deuterium; een liter water bevat 33 milligram. Dat maakt deuterium zeer overvloedig beschikbaar: de hoeveelheid deuterium in de wereldzeeën wordt geschat op 4.6·10¹³ ton. Deuterium kan worden gewonnen via elektrolyse van water (zwaar water elektrolyseert moeilijker, en blijft dus achter bij de elektrolyse van water), via de destillatie van vloeibaar waterstof, of via verschillende chemische adsorptietechnieken.

De complete verbranding van deuterium levert een energie-inhoud van 350·10¹⁵ joule per ton deuterium. Het deuterium aanwezig in zeewater is dus goed voor ongeveer 5·10¹¹ TW-jaar aan energie. In het jaar 2002 gebruikte de hele wereld ongeveer 13.7 TW-jaar aan energie, dus de energie-inhoud van het deuterium in zeewater zou voldoende zijn voor veertig miljard jaar energievoorziening, langer dan de zon zal branden. Gezien de enorme hoeveelheid beschikbaar deuterium, is het dus zaak om op de lange duur de D+D fusiereactie te leren benutten.

Tritium is het radioactieve isotoop van waterstof: het zendt bètastraling (elektronen) uit met een halfwaardetijd van 12.3 jaar. Door de korte halfwaardetijd komt tritium niet in de natuur voor, maar het kan eenvoudig worden gemaakt door het element lithium-6 met neutronen te bestralen. Natuurlijk lithium bestaat ongeveer voor 7.4% uit lithium-6. In een fusiecentrale is het lithium aanwezig in een mantel rond het plasma, waar het bestraald wordt met de neutronen die uit de fusiereactie in het plasma komen. Het radioactieve tritium wordt dus in de fusiecentrale gemaakt, en wordt onmiddellijk als brandstof verbruikt. De echte brandstoffen van een fusiecentrale, de stoffen die 'door de poort' gaan, zijn dus deuterium en lithium, zodat buiten de centrale geen transport van radioactieve brandstoffen nodig is.

Lithium is een metaal dat overvloedig beschikbaar is, en onder andere wordt gebruikt in de bekende lithiumbatterijen en in antidepressiva-medicijnen. De bekende voorraden bedragen ongeveer 15 miljoen ton in erts, en 200 miljard ton opgelost in zeewater, voldoende om voor respectievelijk 1000 jaar en 12 miljoen jaar het gehele wereldenergiegebruik te kunnen dekken op het niveau van het jaar 2002. De hoeveelheid benodigde energie om lithium te winnen is verwaarloosbaar ten opzichte van de energie die vrijkomt in de fusiereactie.