Het beheersen van gecontroleerde kernfusie is ongetwijfeld het heilige graal van technologisch geavanceerde beschavingen. Opmerkelijk genoeg zou het ook het moderne equivalent kunnen zijn van de steen der wijzen…
Het lijdt geen twijfel dat het elektriciteitsverbruik de komende decennia zal toenemen, deels omdat we steeds meer zullen moeten afstappen van fossiele brandstoffen zoals steenkool en koolwaterstoffen. Maar om koolstofvrije elektriciteit te produceren, zullen we niet alleen hernieuwbare energiebronnen kunnen gebruiken, maar ook kernenergie. Daarom is de bouw van kerncentrales in volle gang. Zo heeft China in 2024 aangekondigd 11 nieuwe kernreactoren te zullen bestellen, terwijl het al 56 reactoren in bedrijf heeft en 30 reactoren in aanbouw zijn.
Idealiter zou gecontroleerde kernfusie de beste bron van koolstofvrije elektriciteit zijn, maar deze zal naar verwachting pas in de jaren 2050 operationeel zijn. De enige nog geloofwaardige manier om de mensheid tot een Prometheus met het vuur van de zon te maken, is nog steeds het Iter-project met zijn Tokamak.
Om in de mythische droomwereld van de Homo sapiens te blijven, lijkt het nu geloofwaardig om twee vliegen in één klap te slaan, niet alleen door ons als meester en bezitter (om de uitdrukking van Descartes in zijn Discours de la méthode te gebruiken) van het thermonucleaire vuur van de zon te beschouwen, maar ook door tegelijkertijd te beschikken over het equivalent van de steen der wijzen van de alchemisten.
Neutronen, het geheim van de steen der wijzen?
Om te begrijpen waar het om gaat, moet men zich herinneren dat de thermonucleaire fusiereactie die voor het Iter-project wordt overwogen, in eerste instantie twee isotopen van waterstof omvat, namelijk deuterium en tritium, die elk naast een proton één respectievelijk twee neutronen bevatten. De fusie produceert dan helium 4 en een neutron. Deuterium kan worden gewonnen uit zeewater, dat enorme hoeveelheden ervan bevat. Voor tritium is dat echter ingewikkelder, omdat het een radioactief element met een korte halfwaardetijd is dat dus snel vervalt.
Het kan in kleine hoeveelheden worden geproduceerd met kernsplijtingsreactoren, waardoor de beoogde fusiereactie kan worden gestart. Maar voor een continue werking met veel reactoren zijn grote hoeveelheden tritium nodig. Gelukkig is er een oplossing: de gegenereerde neutronenstroom kan worden gebruikt om lithiumatomen te bombarderen die zich in een zogenaamde tritiumlaag op de binnenwand van de tokamak bevinden. Hierdoor ontstaat een kernreactie waarbij tritium wordt gesynthetiseerd.
Deze mogelijkheid inspireerde de onderzoekers van de Californische start-up Marathon Fusion. Zij hebben onderzocht wat er zou gebeuren als de wand ook kernen van een isotoop van kwik zou bevatten, namelijk kwik-198. Als er voldoende energieke neutronen beschikbaar zijn, leidt dit tot de vorming van de radioactieve isotoop kwik-197, die vervolgens vervalt tot goud-197, de enige stabiele isotoop van goud.
Meerdere tonnen goud per gigawatt vermogen
Het team van Marathon Fusion schat nu, dankzij een “digitale tweelingbroer” van Iter op de computer – zoals de onderzoekers uitleggen in een artikel op arXiv – dat een fusiecentrale in één jaar tijd meerdere tonnen goud per gigawatt thermisch vermogen zou kunnen produceren. Om kwik-198 in goud om te zetten zijn neutronen met een energie van meer dan 6 miljoen elektronvolt nodig.
In het jargon van natuurkundigen is dat 6 MeV. Dat komt goed uit, want de neutronen in Iter zouden gemakkelijk 14 MeV moeten halen!
Er is echter een maar: al het goud dat op deze manier wordt geproduceerd, zou in eerste instantie radioactief zijn en dus niet meteen bruikbaar. In theorie zou deze technologie echter veel efficiënter zijn dan die met botsingen van zware lood-loodionen bij Cern, die in de loop van meerdere jaren uiteindelijk slechts nukleosynthese van ongeveer 86 miljard goudkernen hebben opgeleverd, ofwel in totaal 29 picogram (2,9 ×10-11 g).
Een tweede minpunt is dat Iter geen prototype van een elektriciteitscentrale is. Zijn opvolger, Demo, zou dan het prototype worden van industriële fusiereactoren voor de productie van elektriciteit en goud in de tweede helft van de 21e eeuw.
