Amerikaans bedrijf lost met plasma-centrifuge twee grote knelpunten kernfusie op

Kernfusiecentrales moeten energie opwekken door twee zware vormen van waterstof, deuterium en tritium, met elkaar te laten samensmelten. Dat proces levert twee lastige praktische problemen op. Reactoren verbruiken maar een klein deel van hun tritium per cyclus, waardoor er steeds een grote hoeveelheid radioactief restgas overblijft die snel en veilig moet worden opgevangen. Daarnaast komt tritium nauwelijks vanzelf in de natuur voor: centrales moeten hun eigen brandstof kweken door lithium te bestoken met neutronen.

Marathon Fusion claimt nu een doorbraak met een apparaat dat beide problemen met dezelfde technologie aanpakt: een plasma-centrifuge. Volgens het bedrijf is het gelukt om er zowel waterstofisotopen als lithiumisotopen mee te scheiden. Dennis Whyte, hoogleraar nucleaire wetenschap aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), noemt de ontwikkeling veelbelovend. Door tritium gericht af te vangen, kan de techniek volgens hem de prestaties van fusiecentrales verbeteren en tegelijk de hoeveelheid tritium die een centrale in voorraad moet houden flink verkleinen.

Waarom gewone centrifuges tekortschieten

Traditionele gasscheiding gebeurt met mechanische centrifuges: snel draaiende rotors die zware atomen naar buiten drukken. Lichte gassen zoals waterstof bewegen van nature al erg snel, waardoor de rotors extreem hard moeten draaien om isotopen te scheiden. Metalen of koolstofvezel rotors kunnen echter maar tot een bepaalde snelheid draaien voordat ze door de mechanische belasting uit elkaar scheuren.

De plasma-centrifuge van Marathon Fusion omzeilt dit probleem. Binnen de machine kruisen elektrische en magnetische velden elkaar, waardoor geladen plasmadeeltjes in een supersonische draaibeweging worden gebracht. Het apparaat werkt met een gedeeltelijk geïoniseerd gas: slechts een fractie van de deeltjes draagt een elektrische lading. Die geladen deeltjes botsen voortdurend tegen neutrale atomen aan en sleuren zo het hele gasmengsel mee in de draaiing. De middelpuntvliedende kracht duwt de zwaardere isotopen naar de wand van het vat, terwijl de lichtere in het midden blijven hangen. Omdat er geen fysieke rotor nodig is, ontstaan ook niet de extreme hitteproblemen die eerdere plasmascheiders parten speelden.

Minder afval, minder mercurium

Toegepast op de uitlaat van een reactor voert het systeem zogeheten differentiële pompwerking uit: het trekt bruikbaar deuterium en tritium weg bij heliumafval en verontreinigingen, nog voordat het gas de verdere verwerkingsinstallatie bereikt. Dat scheelt volgens Marathon Fusion meer dan negentig procent aan volume in de benodigde verwerkingsapparatuur, en het beperkt bovendien de hoeveelheid gevaarlijk tritium die een centrale voorradig moet hebben.

Dezelfde machine kan ook lithium verrijken voor koelmiddelen en zogeheten breeding blankets, de mantels waarin reactoren nieuwe brandstof kweken. Vloeibare zoutmengsels zoals FLiBe hebben lithium nodig dat verrijkt is met de isotoop lithium-6 om tritium te kweken, of met lithium-7 om als koelmiddel te dienen in bepaalde kernreactoren. Het overgrote deel van de wereldwijde productie van verrijkt lithium loopt momenteel via een ouder chemisch proces in China en Rusland, waarbij grote hoeveelheden giftig kwik worden gebruikt. De plasma-centrifuge biedt hiervoor een droog alternatief zonder chemicaliën, waarmee het risicovolle kwikgebruik helemaal kan verdwijnen.

Metingen uit testopstellingen kwamen overeen met de voorspellingen van de computermodellen die het bedrijf gebruikt voor magnetohydrodynamica, de natuurkunde van geleidende vloeistoffen en gassen in magneetvelden. Het project krijgt financiering van het Amerikaanse ministerie van Energie via het ARPA-E VISION OPEN-programma. De ingenieurs werken nu aan versies van het systeem met meerdere trapsgewijze scheidingsstappen en willen uiteindelijk een commerciële proeffabriek bouwen die verrijkte isotopen levert aan toekomstige fusiecentrales.