Waarom kernfusiereactoren heter moeten zijn dan de kern van de zon

Diep in de kern van de zon versmelten waterstofkernen tot helium. Dat proces, kernfusie, levert enorme hoeveelheden energie op en is al decennia het ultieme doel van energieonderzoek op aarde. Opvallend genoeg draait de zon dit proces bij een relatief bescheiden temperatuur van circa 15 miljoen graden Celsius. Fusiereactoren die wetenschappers op aarde bouwen, zoals de internationale testreactor ITER in Frankrijk, moeten juist temperaturen van 100 tot 150 miljoen graden Celsius bereiken. Dat is tien keer heter dan de zon. De verklaring ligt niet in luiheid van de techniek, maar in fundamentele verschillen tussen een ster en een machine.

De zon heeft de zwaartekracht aan haar zijde

Atoomkernen zijn positief geladen en stoten elkaar normaal af. Om te fuseren moeten ze elkaar toch dicht genoeg naderen, zodat de kernkracht het overneemt. In de zon duwt de enorme zwaartekracht het plasma, het hete geïoniseerde gas van losse deeltjes, dicht samen. Daardoor krijgen kernen voortdurend kansen om elkaar te raken, ook al verloopt de reactie op kernniveau traag. Een fusiereactor op aarde heeft die zware compressie niet. Het plasma daarin is juist veel ijler, met minder deeltjes per volume. Om toch genoeg botsingen te krijgen, moeten de deeltjes harder bewegen. Een hogere temperatuur betekent dat deeltjes sneller bewegen, waardoor meer botsingen krachtig genoeg zijn om een fusiereactie te laten slagen. Daarnaast speelt een kwantummechanisch effect, tunneling, een rol: deeltjes kunnen soms de afstotende barrière 'doorboren' zonder er genoeg energie voor te hebben volgens de klassieke natuurkunde. Dat helpt, maar lost een tekort aan dichtheid niet volledig op.

Reactoren gebruiken een ander brandstofrecept

De zon wint energie vooral via de proton-protonketen, een reeks reacties waarbij waterstofkernen uiteindelijk helium vormen. Die eerste stap verloopt extreem langzaam, maar de zon heeft zoveel deeltjes dat het toch grote hoeveelheden energie oplevert. Voor een energiecentrale op aarde is dat te traag. Daarom gebruiken de meeste fusieprojecten deuterium en tritium, twee zwaardere varianten van waterstof. Die botsen makkelijker en leveren een heliumkern en een energierijk neutron op. Deze deuterium-tritiumreactie is de meest haalbare optie voor fusie-energie, maar vraagt nog steeds temperaturen van 100 tot 150 miljoen graden om voldoende rendement te halen.

Warmte vasthouden is net zo belangrijk als warmte maken

Een hoge temperatuur alleen garandeert geen werkende reactor. Onderzoekers kijken naar drie factoren samen: temperatuur, dichtheid van het plasma en de tijd waarin het plasma zijn warmte vasthoudt, de zogeheten opsluitingstijd. Deze combinatie heet het triple product. Machines zoals tokamaks en stellarators gebruiken sterke magneetvelden om het plasma op zijn plek te houden. Laserfusie volgt een andere aanpak: een klein brandstofkorreltje wordt razendsnel samengeperst en verhit, zodat de fusiereactie plaatsvindt voordat de brandstof uit elkaar spat. Het einddoel heet ignition, of ontsteking: het punt waarop de fusiereacties zelf genoeg warmte leveren om het plasma op temperatuur te houden, zonder externe verwarming. Alleen dan kan een fusiereactor op termijn bruikbare energie leveren, in plaats van alleen een temperatuurrecord.