Hoe werkt Kernfusie?

Als toekomstige energiebron zijn alle ogen gericht op kernfusie, voornamelijk de reactie tussen twee waterstofisotopen. Deze kernreactie loopt dan tussen Deuterium en Tritium enorme hoeveelheden energie. Per reactie komt er 2.816*10^-12 Joule energie vrij. Dat lijkt heel weinig, maar er hoeven maar 3.55*10^11 reacties plaats te vinden voor 1 Joule energie. Dit komt neer op een totaal gewicht van 1.48*10^-15 kilogram wat moet reageren. Er zit dus een enorm potentieel in kernfusie.

Wat is Kernfusie?

Kernfusie is een verzamelnaam voor alle kernreacties waarin meerdere kernen, omsmelten tot minder kernen. Dit is geen scheikunde, omdat het een reactie tussen kernen is. Scheikunde richt zich alleen op de elektronen om een kern heen, die bepalen op het gewicht na, de scheikundige eigenschappen van het element. Natuurkunde richt zich op de kernen van de elementen. Net zoals in de scheikunde, kunnen verschillende atomen met elkaar reageren. De natuurkunde richt zich op de kernen die met elkaar of met zichzelf reageren tot een andere kern.

Waar zit de energie in de kernen?

De massa van kernen zijn bekend, we kunnen ze meten. De massa van een individueel proton, elektron of neutron is ook bekend, ook gemeten. We weten van alle bekende stoffen hoeveel protonen, elektronen en neutronen er in de kern zitten. Als we de gemeten waarde van een element vergelijken, dan blijkt deze massa te missen. Met andere woorden, je weet de massa van 1 proton en de massa van 1 neutron, maar als je een kern hebt die zowel een proton als een neutron bevat, dan heeft deze minder massa dan de twee apart. Het totaal heeft minder massa dan de twee aparte onderdelen. Waar is deze massa gebleven?
Deze massa wordt door de kern gebruikt om zichzelf stabiel te houden. Als deze massa daarvoor niet gebruikt werd, dan zou het neutron en het proton uit elkaar vallen. Hoe groter de kern, hoe meer massa er omgezet moet worden. De massa wordt dus omgezet in energie die de twee kerndeeltjes bij elkaar houdt. Deze energie wordt beschreven door de formule van Einstein, E=M*c^2. Ook wel; Energie is gelijk aan massa keer een constante. Deze constante is de lichtsnelheid in het kwadraat.

Hoe komt deze energie vrij?

De energie zit dus in de kernen, nu moeten we alleen nog een reactie hebben om deze eruit te krijgen. Het meest geschikt is een reactie tussen twee lichte kernen, omdat deze makkelijker fuseren in een stabiele kern. In de praktijk worden hiervoor isotopen van waterstof gebruikt, namelijk Deuterium en Tritium. Een Deuteriumkern heeft 1 neutron en 1 proton, een Tritiumkern heeft 2 neutronen en 1 proton. Als deze twee kernen met voldoende energie tegen elkaar aanbotsen, dan vindt er een kernreactie plaats. Er gaan dan een Deuteriumkern en een Tritiumkern reageren tot een Heliumkern en een los neutron. Omdat Helium een grotere kern heeft dan Deuterium en ook Tritium, is er meer massa nodig dat omgezet moet worden in energie. Toch is deze energie kleiner dan die voor de Deuteriumkern en de Tritiumkern bij elkaar. Met andere woorden, Helium gebruikt minder energie om zichzelf stabiel te houden dan de Deuteriumkern en de Tritiumkern bij elkaar. Dit feit zorgt ervoor dat er bij de reactie energie vrij moet komen. Er ontstaat per reactie 2.816*10^-12 Joule, ook wel 0,000000000002816 Joule aan energie. Deze energie presenteert zich in warmte en snelheid. De reactie heet waterstoffusie.

Wat zijn de problemen voor het toepassen van waterstoffusie?

Er zitten twee grote problemen bij waterstoffusie. Het eerste probleem is de Deuteriumkern en de Tritiumkern genoeg energie meegeven voor de reactie. In de zon gebeurt dit doordat de reactie al loopt. Het idee is dat de reactie blijft lopen, omdat de kern van de zon op een bepaalde temperatuur blijft, zodat de Deuteriumkernen en Tritiumkernen op de juiste snelheid blijven om de reactie voort te zetten.
De tweede en grootste is het neutron dat vrij komt bij de reactie. Deze heeft een enorm hoge snelheid. Het probleem is dat dit neutron met zijn grote snelheid, in staat is om andere kernen kapot te maken. De apparatuur moet dus om de zoveel tijd vervangen worden. Een kernfusie centrale, moet dus binnen de zo veel tijd compleet vervangen worden. Dit proces wordt tegen gegaan door een beschermend schild dat delen van de reactor moet beschermen. Tot deze twee onderdelen geperfectioneerd zijn, moeten we gebruik blijven maken van andere energiebronnen, zoals generatoren.

Voorbeeld?

Het bekendste voor beeld is de zon. De druk en temperatuur is daar zo hoog, dat er waterstoffusie plaats vindt. Per seconde reageert er 600 miljoen ton waterstof tot 596 miljoen ton helium. De totale energie die per seconde vrij komt is dus: 4.000.000.000 kg * 300.000.000^2= 3.6*10^26 Joule