Proton-boronfusie: kernfusie zonder radioactief afval?
Stel je een energiecentrale voor die werkt op waterstof en boor, twee stoffen die overvloedig op aarde voorkomen, en die geen radioactief afval en nauwelijks straling produceert. Dat is de belofte van proton-boronfusie, ook wel p-11B-fusie genoemd. Het is een variant van kernfusie, het proces waarbij twee lichte atoomkernen samensmelten tot een zwaardere kern en daarbij energie vrijgeven, net zoals in de zon gebeurt.
Het bijzondere aan proton-boronfusie is de combinatie van brandstoffen: een proton (de kern van een gewoon waterstofatoom) versmelt met een boor-11-kern (de meest voorkomende variant van het element boor). Bij de meeste andere vormen van kernfusie, zoals de deuterium-tritiumfusie die in de meeste huidige experimenten wordt gebruikt, ontstaan er snelle neutronen die de reactorwand radioactief maken. Bij proton-boronfusie ontstaan vrijwel geen neutronen. Dat maakt het in theorie een van de schoonste manieren om energie uit fusie te halen, maar het is ook veel moeilijker te realiseren dan andere fusiereacties.
Wat is het precies?
Fusie werkt alleen als atoomkernen elkaar dicht genoeg naderen om te versmelten. Omdat kernen positief geladen zijn, stoten ze elkaar normaal af (de zogeheten Coulombbarrière). Om die afstoting te overwinnen moet je de deeltjes extreem hard tegen elkaar laten botsen, wat je bereikt door de brandstof loeiheet te maken: enkele tientallen tot honderden miljoenen graden.
Bij proton-boronfusie botst een proton (waterstofkern, één positieve lading) met een boor-11-kern (vijf positieve ladingen). Omdat boor een veel grotere lading heeft dan bijvoorbeeld deuterium, is de afstoting groter en moet de temperatuur navenant hoger zijn: naar schatting rond de één miljard graden, tegenover ongeveer honderd tot honderdvijftig miljoen graden voor deuterium-tritiumfusie.
Als de reactie lukt, ontstaat er geen nieuw, zwaar atoom, maar vallen de samengesmolten kernen direct uiteen in drie heliumkernen (ook wel alfadeeltjes genoemd). Dat is uitzonderlijk: de meeste fusiereacties leveren één product plus een los neutron op, maar deze reactie is nagenoeg aneutronisch, oftewel vrijwel neutronvrij. Er komt energie vrij in de vorm van de bewegingsenergie van die drie heliumkernen, in totaal ongeveer 8,7 miljoen elektronvolt per reactie.
Omdat de reactieproducten geladen deeltjes zijn in plaats van neutronen, kan die energie in theorie direct worden omgezet in elektriciteit, vergelijkbaar met hoe een deeltjesversneller in omgekeerde richting werkt, in plaats van eerst water te verhitten tot stoom die een turbine aandrijft. Dat zou de energiecentrale efficiënter kunnen maken. Een groot obstakel is echter bremsstrahling (remstraling): bij zulke hoge temperaturen zenden elektronen in het plasma veel röntgenstraling uit, waardoor energie verloren gaat. Bij de temperaturen die nodig zijn voor proton-boronfusie kan dat verlies groter zijn dan de energie die de fusiereactie oplevert. Dit is een van de kernproblemen waar onderzoekers nog geen sluitend antwoord op hebben.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel van fusieonderzoek in het algemeen is een energiebron die veel energie levert uit weinig brandstof, zonder CO2-uitstoot en zonder het risico van een kernsmelting zoals bij kernsplijting (de huidige kerncentrales). Proton-boronfusie voegt daar een extra belofte aan toe: nagenoeg geen radioactief afval en geen neutronenstraling die materialen in de reactor na verloop van tijd radioactief maakt.
Waterstof en boor zijn bovendien op aarde ruim voorhanden. Boor wordt al op industriële schaal gewonnen, onder meer voor glas, keramiek en wasmiddelen, en is niet zeldzaam of geopolitiek gevoelig zoals sommige andere grondstoffen. Voorstanders wijzen erop dat een proton-boronreactor daardoor in theorie kleiner, veiliger en makkelijker te vergunnen zou kunnen zijn dan een reactor die met radioactief tritium werkt.
Daar staat tegenover dat de extreem hoge temperaturen en de bremsstrahling-uitdaging proton-boronfusie technisch een van de moeilijkste vormen van fusie maken. Het is dan ook een kleiner en risicovoller onderzoeksveld dan de mainstream fusie-aanpakken met deuterium en tritium, gedragen door een handvol gespecialiseerde bedrijven en onderzoeksgroepen die geloven dat de voordelen de extra moeilijkheidsgraad rechtvaardigen.
Voorbeelden uit de praktijk
Proton-boronfusie is nog geen bewezen energiebron, maar er zijn wel concrete experimenten en projecten die laten zien dat de reactie in het laboratorium daadwerkelijk optreedt.
- Belyaev en collega's (2005) toonden met een krachtige laser die op een boorhoudend doelwit met waterstof werd gericht, aan dat de proton-boronreactie meetbaar plaatsvindt. Dit gold destijds als een van de eerste directe laboratoriumwaarnemingen van neutronvrije fusie via lasertechniek.
- TAE Technologies (Californië, VS, opgericht in 1998 als Tri Alpha Energy) bouwt sinds jaren machines die plasma vasthouden met magneetvelden in een configuratie die een field-reversed configuration (FRC) heet: een ringvormige plasmawolk die zijn eigen magneetveld gedeeltelijk in stand houdt. Met hun testreactor Norman, operationeel sinds 2017, werken ze stap voor stap toe naar hogere temperaturen, eerst met deuterium als tussenstap, met als einddoel waterstof-boorfusie in een latere, grotere machine.
- HB11 Energy (Sydney, Australië, opgericht in 2019 door natuurkundige Heinrich Hora en Warren McKenzie) kiest een heel andere weg: in plaats van een superheet plasma langdurig vast te houden, schieten ze met ultrakorte, extreem krachtige laserpulsen op een vaste stof van boor, waarbij een kettingreactie (avalanche-effect) op gang zou moeten komen zonder dat het materiaal eerst tot plasmatemperatuur hoeft te worden verhit. In 2022 publiceerde het bedrijf, samen met de Australian National University, resultaten die wezen op een recordaantal fusiereacties met deze methode.
- LPPFusion (New Jersey, VS, geleid door natuurkundige Eric Lerner) onderzoekt al sinds de jaren 2000 een compact apparaat, de dense plasma focus, als route naar proton-boronfusie. Het bedrijf werkt op veel kleinere schaal en met een aanzienlijk lager budget dan TAE, en worstelt met plasma-instabiliteiten die de temperatuur en dichtheid beperken.
Hoe ver is de techniek?
Proton-boronfusie staat aanzienlijk minder ver dan de meest gevorderde fusieprojecten met deuterium en tritium, zoals de internationale testreactor ITER in Frankrijk. Nergens ter wereld is tot nu toe een proton-boronreactie opgewekt die meer energie oplevert dan er is ingestopt (in vakjargon: netto energiewinst of ignition).
TAE Technologies heeft met zijn Norman-machine plasmatemperaturen van tientallen miljoenen graden bereikt en gerapporteerd dat het plasma stabiel bleef gedurende langere tijd dan bij eerdere machines, een belangrijke stap omdat instabiliteit van het plasma een van de grootste technische obstakels is. Het bedrijf heeft publiekelijk 2030 en de jaren daarna genoemd als mikpunt voor een eerste demonstratiereactor, maar zulke tijdlijnen in de fusiesector zijn in het verleden vaker naar achteren geschoven en moeten met de nodige voorzichtigheid worden gelezen.
HB11 Energy claimt dat hun laseraanpak de noodzaak van miljard-graden-plasma's kan omzeilen, omdat de fusie in vaste stof plaatsvindt in plaats van in een langdurig vastgehouden plasma. Onafhankelijke, herhaalde bevestiging van hun resultaten op grotere schaal ontbreekt echter nog, en critici wijzen erop dat het nog onduidelijk is of de methode ooit netto energie kan opleveren.
Los van de technische vraag of proton-boronfusie werkt, blijft bremsstrahling het fundamentele knelpunt: bij de benodigde temperaturen verliest het plasma mogelijk meer energie aan röntgenstraling dan de fusiereactie oplevert. Sommige theoretische studies suggereren manieren om dit verlies te beperken, bijvoorbeeld door de energieverdeling van het plasma niet-thermisch te houden, maar dit is nog niet overtuigend in de praktijk aangetoond. Kortom: proton-boronfusie is wetenschappelijk veelbelovend maar technisch onbewezen, met een tijdshorizon die eerder in decennia dan in jaren wordt uitgedrukt.
Wie werken eraan?
Het veld is klein vergeleken met de bredere fusiewereld en wordt vooral gedreven door particuliere bedrijven, met steun van academische groepen.
TAE Technologies (Verenigde Staten) is de grootste en best gefinancierde speler, met onder meer Google en het energiebedrijf Chevron als investeerders. HB11 Energy (Australië) werkt nauw samen met de Australian National University en bouwt voort op decennialang theoretisch werk van natuurkundige Heinrich Hora. LPPFusion (Verenigde Staten) is een kleinere, onafhankelijke onderzoeksorganisatie. Daarnaast doen universitaire laboratoria in onder meer de Verenigde Staten, Australië, Rusland en Europa fundamenteel onderzoek naar de botsingskansen (werkzame doorsnede) van de proton-boronreactie, wat nodig is om de reactie beter te begrijpen en te optimaliseren. Grote publiek gefinancierde fusieprogramma's zoals ITER en de nationale laboratoria in de VS en Europa richten zich vooralsnog vrijwel volledig op deuterium-tritiumfusie, omdat die technisch beter haalbaar wordt geacht op de kortere termijn.