Deuterium: het zware waterstof dat de sleutel kan zijn tot fusie-energie
Deuterium klinkt als iets exotisch, maar het is in feite gewoon waterstof met een extraatje. Elk waterstofatoom heeft normaal gesproken één proton in de kern; deuterium heeft daar ook nog een neutron bij. Dat ene extra deeltje maakt het atoom bijna twee keer zo zwaar, vandaar de bijnaam 'zware waterstof'. Van elke 6400 waterstofatomen in bijvoorbeeld zeewater is er gemiddeld ongeveer één deuterium.
Stel je twee identieke fietsen voor, waarvan er één een extra bagagedrager achterop heeft: ze rijden hetzelfde, maar de zwaardere fiets gedraagt zich net iets anders bij hoge snelheid. Zo is het ook met deuterium: chemisch gedraagt het zich vrijwel als gewone waterstof, maar dat beetje extra massa maakt het bijzonder geschikt voor een technologie waar veel van wordt verwacht: kernfusie, het samensmelten van atoomkernen om energie op te wekken zoals de zon dat doet.
Wat is het precies?
Een atoom bestaat uit een kern met protonen en neutronen, omringd door elektronen. Het aantal protonen bepaalt om welk element het gaat; waterstof heeft er altijd één. Maar het aantal neutronen kan verschillen, en die varianten heten isotopen. Gewone waterstof heeft geen neutron, deuterium heeft er één, en een derde variant, tritium, heeft er twee. Deuterium wordt aangeduid met de letter D of het symbool ²H.
Deuterium werd in 1931 ontdekt door de Amerikaanse scheikundige Harold Urey, die er in 1934 de Nobelprijs voor Scheikunde voor kreeg. Water waarin de waterstofatomen zijn vervangen door deuterium heet 'zwaar water' (Dâ‚‚O). Het ziet er precies zo uit als gewoon water, maar is iets zwaarder en gedraagt zich in bepaalde chemische en fysische processen net iets anders.
Het interessantste van deuterium ligt in de kern zelf. Bij kernfusie worden twee lichte atoomkernen samengeperst tot één zwaardere kern, waarbij een klein beetje massa wordt omgezet in een grote hoeveelheid energie (hetzelfde principe als in de beroemde formule E=mc²). De meest onderzochte fusiereactie combineert een deuteriumkern met een tritiumkern; samen vormen ze een heliumkern en een vrij neutron, en daarbij komt energie vrij. Deze zogeheten D-T-reactie heeft, vergeleken met andere fusiereacties, de laagste 'ontstekingstemperatuur': ongeveer 100 tot 150 miljoen graden Celsius. Dat is nog altijd extreem heet, maar wel het meest haalbare van alle opties die natuurkundigen hebben onderzocht.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van fusie-energie is groot: een energiebron die tijdens bedrijf geen COâ‚‚ uitstoot, geen broeikasgassen produceert, en waarvan de brandstof vrijwel onuitputtelijk is. Deuterium is overal aanwezig in zeewater, dus in tegenstelling tot fossiele brandstoffen of zelfs uranium raakt het niet snel op. Anders dan bij kernsplijting (de techniek die in huidige kerncentrales wordt gebruikt) ontstaat er bij fusie geen langlevend hoogradioactief afval, en is een ongecontroleerde kettingreactie of meltdown niet mogelijk: als het plasma instabiel wordt, dooft de reactie simpelweg uit.
Een eerlijke kanttekening: de partner van deuterium in de meest onderzochte fusiereactie, tritium, is juist wél schaars. Het komt nauwelijks van nature voor en moet in de reactor zelf worden 'gekweekt', doorgaans door neutronen te laten reageren met lithium in de reactorwand. Dat is een van de technische knelpunten waar onderzoekers nog volop mee bezig zijn.
Naast fusie heeft deuterium ook praktische toepassingen die al lang bestaan. Zwaar water wordt gebruikt als 'moderator' (een stof die neutronen afremt) in bepaalde kernsplijtingsreactoren, zoals de Canadese CANDU-reactoren. In de wetenschap wordt deuterium gebruikt als merkstof (tracer) om moleculen te volgen, bijvoorbeeld in NMR-spectroscopie (een techniek om moleculaire structuren te onderzoeken) en in stofwisselingsonderzoek. Ook bestaan er inmiddels geneesmiddelen waarin gewone waterstofatomen doelbewust zijn vervangen door deuterium, omdat dit de afbraaksnelheid van het medicijn in het lichaam kan vertragen.
Voorbeelden uit de praktijk
ITER, in het Zuid-Franse Cadarache, is het grootste internationale fusieproject ooit: een samenwerking tussen de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India. De bouw begon in 2010 en de planning is sindsdien herhaaldelijk bijgesteld; het project moet aantonen dat een fusiereactor meer energie uit de plasmareactie kan halen dan er wordt ingestopt.
De National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in de VS haalde op 5 december 2022 wereldwijd het nieuws met de eerste 'ignition': voor het eerst kwam er uit een fusiereactie meer energie dan de laserenergie die op het brandstofcapsuletje (gevuld met deuterium en tritium) werd afgevuurd.
De JET-reactor (Joint European Torus) in het Britse Culham zette in december 2021 en februari 2022 een record van 59 megajoule fusie-energie uit een D-T-plasma, het hoogste ooit uit een 'tokamak' (een donutvormige fusiereactor met magneetvelden). Na decennia dienst is JET rond eind 2023 buiten bedrijf gesteld.
Wendelstein 7-X, van het Max Planck Institute for Plasma Physics in het Duitse Greifswald, gebruikt een ander ontwerp: een stellarator in plaats van een tokamak, met een ingewikkelder gevormd magneetveld. Het experiment richt zich vooral op het langdurig stabiel houden van plasma.
Ten slotte is er Commonwealth Fusion Systems, met het SPARC-project in Massachusetts (VS), een privaat gefinancierde afsplitsing van MIT die inzet op krachtige supergeleidende magneten om een compactere reactor te bouwen. Net als bij ITER zijn de tijdlijnen voor de komende testfases in het verleden meermaals opgeschoven.
Hoe ver is de techniek?
De doorbraak van NIF in 2022 was wetenschappelijk belangrijk, maar moet wel in perspectief worden geplaatst: er kwam meer energie uit de fusiereactie dan de laserenergie die het brandstofcapsuletje raakte, maar dat is nog geen netto energiewinst voor de hele installatie. Het opladen van de lasers zelf kost namelijk veel meer elektriciteit dan er netto wordt gewonnen. Van 'stroom uit het stopcontact halen om fusiestroom terug te leveren' is dus nog geen sprake.
ITER is nog in de bouwfase en is ook niet ontworpen om elektriciteit aan het net te leveren; het doel is aantonen dat een plasma tien keer meer energie kan opleveren dan erin wordt gestopt (uitgedrukt in de zogeheten Q-waarde, met Q=10 als streefdoel). De grootste technische obstakels zijn: het plasma bij extreme temperaturen stabiel vasthouden zonder dat het de reactorwand raakt, materialen ontwikkelen die jarenlang neutronenbombardement doorstaan, voldoende tritium kweken en veilig opslaan, en de enorme bouwkosten beheersen.
Eerlijkheidshalve: schattingen over wanneer fusie-energie commercieel op het elektriciteitsnet beschikbaar komt, zijn in het verleden vrijwel altijd te optimistisch gebleken. De meeste onafhankelijke experts verwachten dat dit, als het al lukt, niet eerder dan ergens in de jaren 2030 tot 2040 zal gebeuren, en zowel publieke als private partijen benadrukken dat er nog serieuze technische hindernissen te nemen zijn.
Wie werken eraan?
Het internationale ITER-project wordt gedragen door 35 landen, met de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, Japan, Zuid-Korea en India als belangrijkste partners. In de VS onderzoekt het Lawrence Livermore National Laboratory laser-fusie via NIF. In Europa coördineert EUROfusion het gezamenlijke onderzoek, met het Max Planck Institute for Plasma Physics in Duitsland als een van de belangrijkste onderzoeksinstituten (onder andere via Wendelstein 7-X).
Daarnaast is een groeiende private sector actief: naast Commonwealth Fusion Systems in de VS zijn bijvoorbeeld Tokamak Energy (VK), Helion Energy (VS) en General Fusion (Canada) bezig met eigen reactorontwerpen, elk met een andere technische aanpak. De landen die op dit moment het meest investeren in fusieonderzoek zijn de Verenigde Staten, de EU-lidstaten (met name Frankrijk en Duitsland), het Verenigd Koninkrijk, Japan, Zuid-Korea en China.