Kernfusie is een proces waarbij twee lichte atoomkernen samenkomen om een zwaardere kern te vormen, waarbij energie vrijkomt. Dit is hetzelfde proces dat de zon en andere sterren aandrijft en een enorme energiebron oplevert. In tegenstelling tot kernsplijting, waarbij zware atomen worden gesplitst om energie vrij te maken, verbindt fusie deze atomen met elkaar. Kernfusie heeft het potentieel om een vrijwel onbeperkte bron van schone energie te bieden, als deze hier op aarde kan worden gecontroleerd en in stand gehouden.
In de eenvoudigste bewoordingen omvat kernfusie het samensmelten van de kernen van twee lichte atomen, zoals waterstof, om één enkel zwaarder atoom te vormen, zoals helium. De massa's van het resulterende atoom en de overgebleven materialen zijn kleiner dan de massa's van de oorspronkelijke atomen. Volgens de vergelijking van Einstein, \(E = mc^2\) , wordt dit massaverlies omgezet in een grote hoeveelheid energie, waarbij \(E\) de geproduceerde energie is, \(m\) de verloren massa, en \(c\) is de snelheid van het licht.
Dit proces vereist extreem hoge temperaturen en drukken om de elektrostatische afstotingskrachten tussen de positief geladen kernen te overwinnen. In de kern van de zon, waar fusie van nature plaatsvindt, stijgen de temperaturen tot boven de 15 miljoen graden Celsius, en is de druk enorm, waardoor de juiste omstandigheden ontstaan voor kernen om dichtbij genoeg te komen om fusie te ondergaan.
Er zijn verschillende soorten fusiereacties die kunnen optreden, elk met verschillende reactanten en producten. Bij de meest bekende en onderzochte reacties zijn isotopen van waterstof betrokken: deuterium ( \(D\) ) en tritium ( \(T\) ):
In de context van kernfusie speelt radioactiviteit een cruciale rol, vooral bij reacties waarbij tritium betrokken is. Tritium is een radioactieve isotoop van waterstof, met een halfwaardetijd van ongeveer 12,3 jaar, wat betekent dat het na verloop van tijd vervalt, waarbij bètadeeltjes (elektronen) vrijkomen en worden omgezet in stabiel helium-3. De DT-fusiereactie is van bijzonder belang omdat deze op efficiënte wijze een grote hoeveelheid energie produceert en het vrijkomende neutron kan worden gebruikt om meer tritium uit lithium te genereren via een proces dat bekend staat als neutronenactivering:
\( \textrm{Lithium-6} + \textrm{neutron} \rightarrow \textrm{Tritium} + \textrm{Helium-4} \)Het bereiken van gecontroleerde kernfusie op aarde is een uitdaging geweest vanwege de extreme omstandigheden die nodig zijn voor het proces. Er worden twee belangrijke benaderingen gevolgd:
Kernfusie biedt de belofte van een vrijwel onbeperkte, schone energiebron. In tegenstelling tot fossiele brandstoffen produceert fusie geen broeikasgassen of langlevend radioactief afval. De brandstof voor fusie, deuterium, kan uit zeewater worden gewonnen, waardoor deze vrijwel onbeperkt is, en tritium kan worden gewonnen uit lithium, dat relatief overvloedig aanwezig is. Zodra de technische en wetenschappelijke uitdagingen zijn overwonnen, kan fusie een aanzienlijke impact hebben op de mondiale energieproductie en bijdragen aan een duurzame en koolstofneutrale toekomst.
Kernfusie vertegenwoordigt een hoogtepunt van menselijke prestaties bij het zoeken naar duurzame energieoplossingen. Hoewel de zon in de kern moeiteloos kernfusie uitvoert, blijft het repliceren van dit proces op aarde onder gecontroleerde omstandigheden een van de grootste wetenschappelijke en technische uitdagingen van onze tijd. De succesvolle ontwikkeling van fusie-energie zou een belangrijke mijlpaal betekenen in onze zoektocht naar een schone, veilige en onuitputtelijke energiebron, die een revolutie teweeg zou brengen in de manier waarop we onze wereld van energie voorzien.
