Streven. Jaargang 14

[p. 55]

Wetenschappelijke kroniek
Plasma en Kernfusie
P.G. van Breemen S.J.

EEr zijn twee diametraal tegenover elkaar staande manieren om kern-energie vrij te maken, nl. splitsing van een (grote) kern in twee kleinere: kernsplijting; en samensmelting van twee zeer kleine kernen tot één nieuwe: kernfusie (in het Engels resp. fission en fusion genaamd).

Het beginsel van de kern-splijting is het gemakkelijkst technisch te verwezenlijken: in explosieve vorm is de atoombom (A-bom) er een trieste en mensonwaardige toepassing van, terwijl een gecontroleerde vorm van kern-splijting plaats vindt in de z.g. kern-reactors. De eerste atoombommen waren klaar in de eerste helft van 1945; op 13 juli werd een bom beproefd in de woestijn bij Alamogordo, en op 6 aug. werd de stad Hiroshima verwoest. De eerste kernreactor werd gebouwd in de Universiteit van Chicago onder leiding van de uit Italië geïmmigreerde fysicus Enrico Fermi. Veiligheidshalve was de reactor opgesteld onder de tribune van het stadion der Universiteit. Op 2 dec. 1942 in de namiddag had daar de eerste zichzelf in stand houdende kettingreactie plaats. Thans zijn er over de hele wereld honderden technisch veel betere, maar op hetzelfde beginsel berustende kernreactors in werking. Elke toepassing van de kernsplijting heeft echter te kampen met een groot en nog niet opgelost probleem: er ontstaat nl. radio-actieve ‘as’, die niet alleen de reactor verstopt als de as niet tijdig verwijderd wordt, maar die bovendien uiterst gevaarlijk is voor elke vorm van leven op deze aarde. Voor het opruimen van deze afvalprodukten is nog geen bevredigende oplossing gevonden.

Bij de kern-fusie heeft men met dit netelige probleem niet te maken, omdat daarbij geen radio-actieve as ontstaat. Dit is een belangrijke reden, waarom men zoekt naar een technisch uitvoerbare vorm van kernfusie.

Een tweede reden is, dat bruikbare grondstof voor kernfusie in praktisch onbeperkte hoeveelheden voorkomt, in tegenstelling tot de dure grondstoffen der kernsplijting (uranium en plutonium). Men kan nl. voor kernfusie uitgaan van deuterium, dat in gewoon water voorkomt in een concentratie van 1 op 6000 (en dus in absolute zin in zeer grote hoeveelheden).

Op de derde plaats is de energie-opbrengst bij kernfusie ongeveer tienmaal groter dan bij kernsplijting: bij splijting van 1 kg. uranium komt een energie vrij van rond 20 miljoen kilo-watt-uur; bij fusie van 1 kg helium uit deuterium komt ong. 200 miljoen kwh. vrij; ter vergelijking zij vermeld dat de verbranding van 1 kg steenkool een energie van 10 kwh levert. Men is er in geslaagd om ook de kernfusie technisch te verwerkelijken, maar men is er (nog) niet in geslaagd om die reactie in de hand te houden: de waterstofbom (H-bom) berust op het beginsel der kernfusie. De H-bom is dus aanzienlijk krachtiger dan de A-bom. Bovendien kan men bij de A-bom niet boven een bepaalde kritische massa gaan, terwijl de H-bom in principe willekeurig groot gemaakt kan worden. De kernfusie komt in gecontroleerde vorm voor in de natuur zelf, nl. in de zon en in de sterren; deze putten hun energie uit kernfusie. De wetenschap zoekt thans naar de mogelijkheden om ook op aarde deze energiebron op een gecontroleerde wijze te ontsluiten.

[p. 56]

Voorwaarden voor kernfusie

De meest in het oog springende voorwaarde voor kernfusie is de exorbitant hoge temperatuur die nodig is. De zon heeft een temperatuur van 15 miljoen graden Celsius; vele sterren een nog hogere. In de H-bom begint de kernfusie ook pas, nadat men een temperatuur van enkele miljoenen graden heeft bewerkt; men bereikt deze temperatuur, door eerst een A-bom te laten ontploffen, waarbij een temperatuur van meerdere miljoenen graden ontstaat; dan kan de kernfusie een aanvang nemen, die, eenmaal begonnen, zichzelf in stand houdt en zich als een explosie verder ontwikkelt. Men kan dit vergelijken met een kruitlading, waarbij het slaghoedje de temperatuur moet leveren, zodat het kruit zelf kan gaan branden: het slaghoedje is nu een atoombom!

De tweede voorwaarde voor kernfusie is, dat men de beschikking heeft over plasma. Plasma is een gas van zo hoge temperatuur, dat alle atomen uit elkaar gevallen zijn in elektronen en de brokstukken die overblijven als een atoom elektronen verliest (z.g. ionen). Een atoom bestaat immers uit een kern, waaromheen zich elektronen bewegen. In een plasma nu hebben alle atomen een deel van hun elektronen verloren; die elektronen bewegen zich als zelfstandige deeltjes in het plasma. Als geheel is het plasma dus elektrisch neutraal (d.w.z. ongeladen), maar alle voorkomende deeltjes zijn afzonderlijk genomen (positief of negatief) geladen. De plasma-toestand kan men beschouwen als een vierde stof-toestand naast de drie bekende stof-toestanden gas, vloeistof en vaste stof. In een volledig ge-ioniseerd plasma is het atoom van al zijn elektronen ontdaan, zodat alleen nog maar naakte atoomkernen en losgeslagen elektronen voorkomen. Omdat waterstof, en ook de waterstof-isotopen deuterium en tritium, maar één elektron per atoom hebben, is een waterstof- en deuterium-plasma altijd volledig ge-ioniseerd.

De derde faktor, waarvan de gecontroleerde kernfusie afhankelijk is, is de dichtheid (of beter: de ijlheid) van het plasma. Een deuteriumgas, dat bij kamertemperatuur een druk van 1 atmosfeer heeft, zou bij een temperatuur van enkele miljoenen graden onder een druk van miljoenen atmosferen staan. Bij een H-bom komen deze omstandigheden inderdaad min of meer voor. Vanzelfsprekend kan men een plasma-reactie bij zo'n druk niet meer controleren. Alleen bij een veel lagere druk zou het mogelijk zijn, de reactie in de hand te houden; b.v. als men uitgaat van een gasdruk, die bij kamertemperatuur één honderdduizendste atmosfeer bedraagt. Een dergelijke gasdruk is een vacuum, dat zonder veel moeite gerealiseerd kan worden. Veel moeilijker is het echter om ook alle verontreinigingen in het gas te vermijden. De werking van uiterst geringe hoeveelheden vreemde atomen is buitengewoon schadelijk; als er op 1 miljoen deuterium-atomen 1 calcium-atoom aanwezig is, dan betekent dat bij de verwarming van het gas een verliespost, die even groot is als de onvermijdelijke warmte-verliezen van de miljoen deuterium-atomen bij elkaar. De zuiverheidseis is dus waanzinnig hoog. Er zit niet veel anders op dan zo snel te werken, dat verontreinigingen van de oven-wand geen tijd hebben om door te dringen in het plasma, of om zonder ovenwand te werken.

Verwarming en opsluiting

De lezer heeft zich waarschijnlijk al enkele malen afgevraagd, hoe in een laboratorium een temperatuur van enkele miljoenen graden mogelijk is. Ver-

[p. 57]

dampt dan niet alles? De oplossing van het raadsel is, dat de temperatuur van het plasma weliswaar buitengewoon hoog is (per definitie betekent dit dat de bewegingsenergie van de plasma-deeltjes buitengewoon groot is), maar dat de warmte-inhoud toch maar betrekkelijk gering is, omdat de dichtheid zo klein is. Berekening leert, dat 1 liter plasma van een druk van 1 duizendste atmosfeer en een temperatuur van 350 miljoen graden een warmte-inhoud heeft die nog niet eens voldoende is om een kwart liter water van kamertemperatuur aan de kook te brengen. Men hoeft dus echt niet bang te zijn, dat bij plasma-experimenten de machines verdampen.

De reden, waarom zulke hoge temperaturen nodig zijn, is dat dàn alleen de atoomkernen zo dicht bij elkaar kunnen komen, dat zij kunnen samensmelten. Atomen zijn kernen omgeven door een zeer ijle en enorm uitgebreide wolk van elektronen (in aantal variërend van 1 tot 92). Bij een gewone scheikundige reactie raken alleen de elektronen-wolken met elkaar verstrengeld (en dan nog slechts in hun periferie). De kernen zelf blijven bij zo'n chemische reactie volkomen onaangeroerd ergens diep verborgen in de elektronenwolk. De wolk is nl. veel groter dan de kern. Als we het atoom zodanig zouden vergroten, dat de kern een bol van 1 meter doorsnede wordt, en we denken die bol geplaatst in het centrum van de stad Amsterdam, dan zouden de buitenste elektronen kleine erwtjes zijn, die ronddraaien op een afstand als die van ‘Nieuw West’ (5 tot 7 km). Een scheikundige reactie zou dan b.v. ergens in 't Amsterdamse Bos plaats vinden (6 of 7 km), en raakt dus de kern helemaal niet. Wat zou onze bol op de Dam merken van relaties, die in het Amsterdamse Bos worden aangeknoopt? Voor een kern-reactie moet de kern eerst van zijn elektronen-wolk worden ontdaan: een soort stripping, die veel energie vraagt, en die pas geheel of ten dele gelukt bij zeer hoge temperatuur. Als alle elektronen losgebeukt zijn, hebben we volledig ge-ioniseerd plasma. Dit veronderstelt al temperaturen van honderdduizenden graden. Dat wil zeggen, volgens de definitie van het begrip temperatuur, dat de kernen en de elektronen in het plasma een zeer grote bewegingsenergie hebben. Voor kernfusie moet deze energie zó groot zijn (en dus m.a.w. de temperatuur zo hoog zijn) dat de afstotende kracht tussen de atoomkernen overwonnen kan worden. Immers de atoomkernen zijn positief geladen; ze stoten elkaar dus af; deze afstotende krachten worden op kleine afstanden enorm groot. Alleen zeer snelle kernen kunnen deze kracht overwinnen en zo voldoende dicht bij elkaar komen om samen te kunnen smelten. Een dergelijke reactie noemt men een thermo-nucleaire reactie, omdat de thermische energie der plasma-deeltjes de kern-reactie mogelijk maakt.

Er bestaan verschillende methodes om een kleine hoeveelheid zeer verdund gas tot zo'n hoge temperatuur te verhitten. Maar het succes hangt nauw samen met de mogelijkheid om het plasma op te sluiten. Het plasma mag de wand van het vat niet raken; gebeurt dat wel, dan is de afkoeling zo sterk, dat alle pogingen om temperaturen van 5 of 6 cijfers te halen tot mislukking gedoemd zijn. Men heeft echter een techniek ontwikkeld om het plasma in te sluiten in een onzichtbaar vat, nl. binnen magnetische velden. De verwarming geschiedt nu 1: door snelle compressie, waarbij de ontstane warmte niet mag wegvloeien (z.g. adiabatische compressie; soms heel plastisch adiabatisch ‘kneden’ genoemd); of 2: door inwendige wrijving in het plasma, dat bij hoge temperaturen nl. erg visceus is; of 3: doordat men zeer snelle deeltjes in een magnetische ‘fles’ schiet en ze daar gevangen houdt (injectie); of 4: door elektrische schok-

[p. 58]

golven die men verwekt door snelle ontlading van een condensator. Als men alle warmte-verliezen door contact met de wand en door onzuiverheden in het gas en door straling zo goed mogelijk voorkomt, kan men zo hoge temperaturen bereiken. Men heeft in aardse machines reeds een temperatuur van 13 miljoen graden bereikt (in de Scylla te Los Alamos, U.S.A.).

De opsluiting geschiedt, zoals al even werd aangeduid, met behulp van magnetische velden. Meestal maakt men daartoe gebruikt van het z.g. pinch- of knijp-effect. Het eenvoudigste voorbeeld hiervan wordt gevormd door twee evenwijdige draden waardoor 'n elektrische stroom loopt (in beide draden in dezelfde richting). De middelbare-school-natuurkunde leert al dat die twee draden elkaar aantrekken. Dat komt omdat de stroom in de draden cylinder-vormige magnetische velden vormt rond de draden. Laat men door een plasma, dat in een lange cylinder is opgesloten, een sterke stroom gaan, dan krijgt men een soortgelijk effect: men zou kunnen denken, dat het gas zich gedraagt als een groot aantal evenwijdige stroomdraden, die elkaar aantrekken. Het plasma maakt zich los van de wand en snoert zich samen tot een dunne draad in het midden van de cylinder en wordt daardoor tevens verwarmd. Er zijn wel risico's verbonden aan deze werkwijze, omdat een kleine uitstulping van de plasmadraad in een ras tempo uitgroeit tot een fatale verdikking, die de wand van de cylinder raakt, en daarmee de verwarming te niet doet. In de Engelse vaktaal worden deze uitstulpingen heel beeldend ‘saucages’ genoemd. Met de Zetamachine te Harwell (Eng.) is men op deze wijze niet boven de 300.000 graden gekomen.

Een betere methode schijnt dan ook te zijn, om eerst met behulp van een uitwendig magneetveld een magnetische fles te vormen; als het magneetveld sterk genoeg is, blijven alle deeltjes in zo'n fles gevangen, omdat een plasma alleen maar uit geladen deeltjes bestaat. Als de fles eenmaal gevormd is, probeert men er snelle deeltjes in te injecteren. Maar deeltjes die snel genoeg zijn om in de fles binnen te dringen, zijn ook snel genoeg om er weer uit te breken. De deeltjes zullen dus even snel weer uit de fles verdwijnen, als zij er in geschoten zijn...., tenzij men het klaar speelt om ze in de fles in kleinere deeltjes uiteen te doen vallen. Men heeft nu inderdaad methoden gevonden om dat uiteenvallen binnen de magnetische fles tot stand te brengen. Langs deze weg zoeken op het ogenblik de Amerikanen met hun DCX- en Orion-machines in Oak Ridge en de Russen met de Ogra-machine.

Er wordt op verschillende plaatsen ter wereld met plasma geëxperimenteerd. In ons eigen land, om daar maar mee te beginnen, bestaat een F.O.M.-Instituut voor Plasma-fysica, sedert 1958 gevestigd in het landgoed Rijnhuizen te Jutfaas; de aankoop van dit landgoed, de nieuwbouw van verdere gebouwen op het terrein alsmede de inrichting werd rechtstreeks door O.K.W. gefinancierd; de verdere financiering geschiedt door de F.O.M. (Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie); de wetenschappelijke leiding berust bij Dr. C.M. Braams. Ook in het F.O.M.-Laboratorium voor Massa-spectrografie te Amsterdam en in het Centraal Laboratorium van T.N.O. te Delft wordt aan plasmaonderzoek gewerkt.

In Engeland is men al langer bezig, vooral in Harwell, waar men experimenteert met de Zeta (zero energy thermonuclear assembly)¹⁾. In febr. 1958 kwam

1) Namens de minister van wetenschap heeft Sir David Eccles onlangs in het Lagerhuis medegedeeld, dat Engeland tot nu toe ongeveer £ 1.600.000 aan de ZETA gespendeerd heeft. Hij zei o.m.: ‘Hoewel het in dit stadium onzeker is of thermonucleair onderzoek zal leiden tot economische energie-produktie, zou de beloning in geval van succes zo groot zijn, dat de regering van mening is, dat het huidige programma volledig gerechtvaardigd is’.

[p. 59]

het Zeta-project op tamelijk ongelukkige wijze in de publiciteit. Op donderdag 6 febr. van dat jaar kondigden de Engelse dagbladen op hun voorpagina aan, dat zij de volgende dag in staat zouden zijn om bijzonder belangwekkend en wereldschokkend nieuws te publiceren. Vrijdag 7 febr. waren de voorpagina's geheel gewijd aan de grootste wetenschappelijke ontdekking van deze eeuw: in Harwell was men er in geslaagd om een gecontroleerde, zelfstandige kernfusie tot stand te brengen. De Engelse fysici konden nu de reactie verwerkelijken, waaruit de zon ook al haar energie put. Engeland had de leiding van de wetenschap en binnenkort ook van de daarop voortbouwende techniek nu onbetwist in handen. Op vele plaatsen ter wereld had men naar gecontroleerde kernfusie gestreefd, maar in Engeland was men geslaagd. Er verschenen foto's en levensbeschrijvingen van de leiders van het onderzoek. Er heerste een sfeer van onbeschrijfelijke, zelfingenomen triomf. De voorpagina's waren niet genoeg om dit overwinningsgevoel te uiten; ook de volgende pagina's moesten getuigen van de grootheid van Engelands wetenschap. Op zaterdag verscheen er een kort artikel, waarin werd vermeld dat Admiraal Lewis Strauss, de voorzitter van de Amerikaanse Atoom-Energie-Commissie, op een persconferentie had verklaard, dat Amerika al langer de resultaten had bereikt waar Engeland nu zo groot op ging, maar dat men het uit taktische en strategische overwegingen beter had gevonden, om die resultaten nog niet bekend te maken. Nu men echter in Engeland het nieuwe succes wereldkundig had gemaakt, wilde de U.S.A. niet langer wachten met te verklaren, dat men in de U.S.A. al eerder dit stadium van het plasma-onderzoek had bereikt. De Engelse kranten beschouwden dit als Amerikaanse bluf; zoals een van de bladen opmerkte: ‘Americans still don 't realise, that dollars don 't form a substitute for brains’. De tijd heeft geleerd, dat zeker het Engelse enthousiasme en misschien ook de Amerikaanse reactie voorbarig waren. Want in sept. 1958 gaven serieuse wetenschappers als hun mening te kennen, dat alleen nog maar in de Scylla-machine te Los Alamos een thermonucleaire reactie was bewerktstelligd, en zelfs dat was nog niet helemaal zeker (aldus op de tweede internationale Conferentie der Verenigde Naties inzake vreedzame toepassingen van kernenergie).

Op het ogenblik heerst er zeker geen hoera-stemming bij de mensen die de kernfusie onderzoeken. Wel wordt er hard gewerkt en worden er kosten noch moeiten gespaard. In de U.S.A. wordt er jaarlijks 30 miljoen dollar voor dit onderwerp uitgegeven door de Atoom-Energie-Commissie; er wordt aan gewerkt in een tiental laboratoria, o.a. te Oak Ridge, Los Alamos en Livermore (onder leiding van Post en Van Atta). Ook Rusland (Ogra-machine) en Frankrijk (te Saclay) werken aan plasma-fysica. Verder: West-Duitsland (Aken en Göttingen), Zweden (Uppsala), Japan en Italië. Maar het zijn echt geen pessimisten, die menen, dat het nog wel tientallen jaren zal duren voor men bruikbare energie kan winnen door middel van kernfusie. In Genève, tijdens de conferentie van 1958, varieerden de schattingen van de tijd, nodig opdat de kernfusie haar industriële bruikbaarheid kan bewijzen, tussen de 20 en de 40 jaar. Wanneer de pogingen echter geslaagd zijn, dan zal dat betekenen, dat de mensheid over een praktisch onbeperkte energie-bron kan beschikken.