Streven. Jaargang 12

[p. 845]

Wetenschappelijke kroniek
Waterstofenergie: Bron van leven of dood
Dr. P. de Ceuster

‘EEN bijzonder onaangenaam aspect van de waterstofbom is het feit dat het nimmer mogelijk zal zijn, zoals het het geval was met de splitsing van uranium, de kernenergie der waterstofreactie voor vredelievende doeleinden te gebruiken. Een gecontroleerde waterstofreactie is onmogelijk’. We zouden moeilijk op een treffender wijze de verbazende vooruitgang van wetenschap en techniek kunnen illustreren dan met voorgaand citaat uit het boek: Nieuwe Atomen, dat in 1950 verscheen¹⁾. De auteur, O. Hahn, verwierf enkele jaren geleden de Nobelprijs voor het vinden, in 1939, van de beroemde uraniumreactie die heel wat vroeger dan de waterstofreactie ontdekt werd. Hahn wist hoe ontzettend moeilijk het was een vreedzame en controleerbare uraniumreactor te ontwerpen voor de kernsplitsingsreactie die hij ontraadseld had. En toch had de Amerikaanse techniek het in enkele jaren klaar gespeeld er zowel een verschrikkelijk wapen als een vreedzame krachtbron uit te ontwikkelen. Het geschiedde onder een imperatieve oorlogsdrang, het kostte schatten, het eiste de intellectuele inspanning van een hele natie, maar het geschiedde en zelfs veel vroeger dan iemand het voor redelijk kon houden.

Toen dan de nog veel gruwelijker waterstofbom uitgevonden werd schreef diezelfde geleerde, die na de tweede wereldoorlog gezien had wat er uit zijn uraniumreactie gegroeid was, en het verder verloop ervan op de voet kon volgen, over de vreedzame toepassing van deze waterstofenergie het gevaarlijke woordje ‘nooit’.

Verre van ons deze eminente geleerde te willen beschuldigen van voortvarendheid. We schrijven dit enkel om aan te tonen hoe onmogelijk in 1950 nog een opdracht scheen waarvan de uitvoering, alhoewel nog immer niet tot een goed einde gebracht, toch in haar eerste kleine successen hoopgevend genoeg is om ook de volledige oplossing van dit probleem in de toekomst tegemoet te zien.

1) O. Hahn, New Atoms. - Elsevier, 1950, pp. 65-66.

Waterstofenergie

Wanneer waterstof zich met zuurstof verbindt tot water geschiedt dit op explosieve wijze en komt er zeer veel energie vrij. Doch eerst moet een deel van het mengsel op een of andere plaats verhit worden tot de ‘initiaaltemperatuur’ of ontvlammingstemperatuur (ongeveer 400°). Dit geschiedt gewoonlijk door een vonk. De exotherme scheikundige reactie die er het gevolg van is zorgt er dan wel voor dat heel het ontplofbaar mengsel, geleidelijk maar zeer vlug die ontvlammingstemperatuur bereikt: het ontploft.

Het is nu ook mogelijk om waterstofatomen, of beter waterstofkernen, te verbinden tot heliumkernen; er komt dan nog tien miljoen maal meer energie vrij.

[p. 846]

Doch hiertoe moet de ontvlammingstemperatuur bereikt worden. Deze bedraagt hier meerdere miljoenen graden. We schrijven: Waterstof → Helium + Energie.

Wanneer er voldoende waterstof op die hoge temperatuur gebracht is dan gaat de reactie wel automatisch verder. De vrijgekomen energie is buitengewoon groot; voor een kilogram is ze equivalent aan de energie van 20.000 ton springstof.

Waarom waterstofkernen op zo hoge temperatuur moeten gebracht worden is duidelijk. Ze zijn immers positief geladen en stoten elkaar, volgens de gewone elektrostatische wetten, des te meer af naarmate ze dichter bij elkaar komen. En toch moeten die kernen niet alleen dicht bij elkaar komen doch letterlijk tegen elkaar botsen voor ze kunnen versmelten tot helium. Ze moeten dus met grote snelheid tegen elkaar opvliegen en a.h.w. een grote aanloop nemen voor ze de elektrostatische afstoting kunnen overwinnen. Wie zegt snelheid zegt temperatuur, die niets anders is dan snelheid van elementaire deeltjes.

Het probleem lijkt dus eenvoudig genoeg. Het gaat erom waterstof te verwarmen tot enkele miljoenen graden; de versmelting tot helium gaat dan onmiddellijk door en geeft energie vrij. Deze reactie geschiedt in de waterstofbom en in de zon. Waarom is het dan zo moeilijk een ‘gecontroleerde waterstofreactor’ te ontwerpen? Daartoe herinneren we aan het bestaan van drie soorten waterstof. De gewone waterstof met atoomgewicht één, deuterium met atoomgewicht twee en tritium met atoomgewicht drie.

Er zijn verschillende combinaties van deze isotopen mogelijk, doch tritium zet zich het gemakkelijkst (lees: het minst moeilijk) tot helium om, daar het atoomgewicht van helium vier bedraagt en tritium dit bedrag reeds het dichtst benadert. Praktisch gaat het het best met een mengsel van tritium en deuterium. Toch ligt het ontvlammingspunt dan nog bij twintig miljoen graden terwijl het voor zuiver deuterium zelfs tweehonderd miljoen graden bedraagt.

Waterstofbom

Zo komen we eerst bij de waterstofbom terecht. Hier was oorspronkelijk de moeilijkheid een grondstoffenprobleem.

Wanneer de gewone uraniumatoombom ontploft heerst er gedurende enkele miljoenste seconden in de kern van de ontploffing een temperatuur van twintig miljoen graden. Wanneer ze nu ook tritium bevat kan deze versmelten tot helium. Niet echter wanneer ze deuterium bevat want daarvoor is die temperatuur niet hoog genoeg.

Voor de constructie van de waterstofbom was men dus aangewezen op tritium. Daar tritium in de natuur niet voorkomt moet men noodgedwongen zijn toevlucht nemen tot de synthese ervan en deze kan slechts geschieden met behulp van bijzondere kernreacties in een atoomreactor waarop we hier niet zullen ingaan. Enkel willen we erop wijzen dat dit procédé ongelofelijk duur is. Maar men had het er voor over en rond 1950 waren de plannen klaar voor een grootscheepse tritiumfabriek, die zelf reeds onwaarschijnlijk veel geld zou kosten.

Alleen de barakken voor de bouwarbeiders werden gebouwd. Men had immers intussen een kunstgreep gevonden die de kostprijs van de waterstofbom terugbracht tot een minimale fractie van de oorspronkelijke schatting; wat meteen deze bom van de duurste tot de goedkoopste maakte. Er werd namelijk ontdekt dat een relatief zeer goedkoop lithium-isotoop in de kern van een atoombom zelf omgezet wordt tot tritium. En zo komen we dan tot het paradoxale feit dat de

[p. 847]

waterstofbom in feite een lithium-bom is en de oorspronkelijk geplande echte waterstofbom nog enkel voortleeft in de vreedzame toepassing ervan.

Daar de ontploffing ook plaats grijpt met een mengsel van tritium en deuterium en tritium, dus zeer economisch kan vervangen worden door lithium, gaat men uit van het nog goedkoper lithium-deuteride, een scheikundige verbinding van deze twee elementen. Een waterstofbom bestaat dus uit een ‘gewone’ atoombom die grote massa's lithiumdeuteride ontsteekt.

Dit brengt ons dan tot de beruchte bom met drie trappen waarvan de apocalyptische verschrikkingen de stoutste verwachtingen van de experimentatoren overtrof. Steeds weer komen we tot de ontvlammingstemperatuur als sleutel voor het reactiemechanisme. In de eerste trap - de kern - ontploft de atoombom en bereikt de twintig miljoen graden, nodig voor de ontsteking van het eerste omhulsel dat lithuimdeuteride bevat. De ontploffing hiervan is nog veel heviger en ontwikkelt een nog veel hogere temperatuur die in de honderdmiljoen graden loopt. De derde trap - een tweede omhulsel van gewoon zeer goedkoop uranium - heeft nu deze zeer hoge temperatuur nodig om te ontploffen.

Toen de eerste bom van deze soort in 1954 ontplofte verdween een eiland in de Stille Oceaan van de kaart.

Wat haar ontploffingskracht betekent, kunnen we ons enigszins voorstellen wanneer we bedenken dat een dergelijke bom overeenkomt met 20 miljoen ton gewone springstof, terwijl de geallieerde luchtmacht gedurende de hele tweede wereldoorlog 2,5 miljoen ton heeft afgeworpen.

Gecontroleerde reactie

Gewone waterstof kan zeer moeilijk versmelten tot helium. Daar het atoomgewicht van waterstof één is, zijn er vier atomen nodig om een atoom helium te vormen. Dus zouden vier atomen elkaar gelijktijdig moeten treffen om deze fusie mogelijk te maken. Wie al eens een biljartspel met aandacht heeft gevolgd weet hoe zeldzaam het voorkomt dat drie ballen elkaar gelijktijdig treffen. Voor vier deeltjes is de kans praktisch nul. We zullen er dus niet aan moeten denken om gewone waterstof als energiebron, ten goede of ten kwade, te benutten.

En toch gebeurt deze fusie in de zon, zij het dan ook langs een omweg volgens de beroemde cyclus van Bethe. In het binnenste gedeelte van de zon, waar eveneens een temperatuur heerst van enkele miljoenen graden, botsen waterstofkernen op koolstofkernen en wanneer de botsing intensief genoeg is blijft het waterstofdeeltje in de koolstofkernen zitten. Heeft nu de koolstof er zo vier ingeslikt dan spuwt hij een heliumkern uit en wordt zelf weer opnieuw een normale koolstofkern. Men drukt dit zo uit dat koolstof een katalysator is voor de omzetting van waterstof in helium.

Zeer langzaam en sporadisch gebeurt deze omzetting in de zon, doch de geweldige energie die zo vrijgegeven wordt volstaat om ze reeds gedurende miljarden jaren op temperatuur te houden. En nog lang kan dit blijven voortduren: het waterstofgehalte hoeft daarom nog niet te verminderen aangezien de zon uit het heelal waterstof aantrekt en zo voortdurend tankt.

Dit alles was bekend toen in Engeland proeven ondernomen werden om op gecontroleerde wijze waterstof in helium om te zetten.

Bij de keuze van het uitgangsmateriaal kwam men logischerwijze op deuterium terecht. Tritium komt immers helemaal niet in aanmerking wegens de prijs. Zelfs

[p. 848]

wanneer de omzetting op volkomen bevredigende wijze zou verlopen, dan nog zou de vrijgekomen energie zelfs niet volstaan om de grondstof te betalen. En de proeven, die in gang gezet werden om uiteindelijk te komen tot een technische benuttiging van de waterstofenergie zouden van voren af aan tot economische mislukking gedoemd zijn. Tenzij men ook hier de weg langs het lithiumdeuteride zou volgen, doch we kunnen hier moeilijk uitleggen waarom men deze weg niet verkoos te nemen.

Gewone waterstof heeft eveneens weinig kans omdat koolstof als katalysator hier onontbeerlijk is en dit, in de reeds zo moeilijke omstandigheden, verwikkelingen teweegbrengt die men liefst uit de weg gaat.

Blijft er dan nog deuterium als grondstof over. Alhoewel gewoon water slechts 0,02% deuteriumoxyde (zwaar water) bevat, zou dit gehalte volstaan om onze energiebehoefte te dekken tot het einde der tijden en het kan er zo goedkoop uitgehaald worden dat de kostprijs die van de energie die eruit zou ontstaan helemaal niet beïnvloedt.

De reactie is ook eenvoudiger te beschrijven dan die met de andere waterstofisotopen: 2 D → He + energie.

Het enige struikelblok is weer de ontvlammingstemperatuur. Voor een onmiddellijke en kwantitatieve omzetting van deuterium in helium zouden we moeten beschikken over een initiaaltemperatuur van ongeveer tweehonderd miljoen graden. Dit betekent echter ook dat bij merkelijk lagere temperatuur de reactie toch reeds gedeeltelijk zal verlopen en bij vijf of tien miljoen graden kan men reeds een sporadische omzetting verwachten. Precies gelijk het met onze steenkolen geschiedt. Ze verbranden zowel in het kolenhok als in de kachel. Doch op kamertemperatuur gebeurt de reactie met lucht zo traag dat we er niets van merken, terwijl de verbranding in de kachel bijna onmiddellijk en kwantitatief is.

Voor experimentele doeleinden zou men zich vooreerst tevreden stellen met een paar schamele miljoenen graden. Doch dat was nu precies wat Prof. Hahn voor onmogelijk hield. En niet zonder reden.

Toen een voortvarend student uit de vorige eeuw Professor Liebig de blijde tijding bracht dat hij een universeel oplosmiddel gevonden had, waarin nu eens gewoon alles oploste, vroeg Liebig hem sarcastisch waarin hij dan dit oplosmiddel dacht te bewaren. En hier staan we voor een analoog geval. Bij 5.000^o reeds zijn alle stoffen, zonder uitzondering, gesmolten en verdampt. Gesteld nu dat we het aankunnen waterstof - of onverschillig wat - tot miljoenen graden te verwarmen en we Prof. Hahn dit grote nieuws mededelen, dan lopen we veel kans, want Prof. Hahn is een humorist, dat hij ons zou vragen: ‘in welk materiaal denkt u het apparaat te bouwen waarin deze verhitting zal geschieden’.

Dit is een pertinente vraag en er is slechts een antwoord op dat nog absurder schijnt dan het probleem: we kunnen waterstof slechts op zeer hoge temperatuur verwarmen wanneer we er in slagen dit uit te voeren zonder dat de atomen de wand van het apparaat raken.

Met dit voor ogen is men dan in Engeland aan het werk getogen om het hopeloze mogelijk te maken. We kunnen hier enkel schematisch het principe aangeven, waarop de methode berust. Een cirkelvormige holle luchtledige buis is in een magneetveld geplaatst. In deze buis worden waterstofkernen met reeds zeer grote snelheid (lees hoge temperatuur) geschoten en door de bijzondere vorm van het magneetveld worden ze van de wand weg samengesnoerd tot een beweeglijke draad die de as van de cirkelvormige buis vormt. Dit samensnoeren

[p. 849]

bewerkt nog een verdere verhoging van de temperatuur. Het grote gevaar is het doorbreken van de waterstofdraad vóór de gewenste hoge temperatuur bereikt is en dit wordt dan weer door een supplementair magneetveld tegen gegaan.

Dit alles is in werkelijkheid veel moeilijker dan uit deze summiere beschrijving kan vermoed worden. Ook het meten van die hoge temperatuur geschiedt door een kunstgreep. In 1957 gelukte het de Engelse geleerden kleine hoeveelheden deuterium gedurende een korte poos tot vijf miljoen graden te verwarmen en meende Sir John Cockroft de wereld te mogen verkondigen dat heliumatomen gevormd werden. Het onmogelijke was mogelijk geworden. Later moest hij echter erkennen dat het gevormde helium niet voortkwam van de waterstoffusie en scheen de hele bedrijvigheid een waanbeeld.

Toch is dit niet zo. Eerst en vooral bereikt de temperatuur op verre na niet het niveau voor een redelijk fusierendement, doch bleef op het uiterste minimum waarop een sporadische versmelting van waterstofkernen tot helium kon verwacht worden. En het zou helemaal geen verwondering wekken wanneer achteraf vastgesteld werd dat dit minimum merkelijk hoger ligt.

Ten tweede ligt het grote succes niet in de eerste plaats in een bewijs dat fusie op controleerbare wijze mogelijk is, al blijft dit natuurlijk het einddoel, doch wel in het bereiken van de recordhoge temperatuur.

Vergeten we niet dat het voor de aanvang van deze proeven nooit gelukt was een temperatuur te bereiken, of beter te behouden, die merkelijk hoger lag dan enkele tienduizenden graden. Prof. Hahn schreef in de boven vermelde tekst: ‘We kunnen de temperatuur van twintig miljoen graden of meer slechts gedurende enkele miljoensten van een seconde bereiken en niet voor een lange tijd’. Hij dacht daarbij aan de waterstofbom. In de Engelse proeven werd de hoge temperatuur reeds gedurende een tweehonderdste van een seconde bereikt. Dit is tienduizend maal langer dan Hahn voor mogelijk hield.

Wanneer we daaraan toevoegen dat het hier gaat om de eerste stappen die in deze richting gezet worden en iedere aanvangsapparatuur tot grondige verbeteringen leidt, dat in de Verenigde Staten gelijkwaardige proeven aan de gang zijn en ook in Rusland het probleem duchtig aangepakt wordt, dan is de hoop op een uiteindelijk volledig succes zeker niet ongegrond.

De fundamentele moeilijkheid: miljoenen graden bereiken en behouden zonder de wand van het apparaat te raken is opgelost en alhoewel niemand binnen korte tijd de technische uitvoering van het probleem verwacht, waterstof te gebruiken als vreedzame energiebron, toch is wel iedereen ervan overtuigd dat ook hier eens de laatste hinderpalen uit de weg geruimd zullen worden. Dan zal een onuitputtelijke energiebron ter beschikking staan, veel onschuldiger dan uranium of thorium en vrij van alle radio-activiteit, die bij het hanteren van de gewone reactoren zo hinderlijk is. Dan zal men over een energiebron beschikken die, naar het schijnt, rechtstreeks in elektriciteit zal kunnen omgezet worden: de jarenoude droom van motorspecialisten zou dan vervuld worden.

Waterstofenergie is de bron van alle leven. Ze werd van ouds als dusdanig in de zon door de heidenen aanbeden. Zodra de mens zich ook deze kracht eigen maakte heeft hij ze hersmeed tot het gruwelijkste wapen uit de geschiedenis, tot bron van een collectieve dood. Laat ons hopen dat deze nefaste bron voor altijd gesloten blijve en het de meer vreedzame geleerden gegund worde deze verschrikkelijke kracht te ontsluiten tot een hulpmiddel dat de groeiende mensheid het leven op deze wereld helpt schoner te maken.