Tritium: de zeldzame waterstofvariant die kernfusie moet laten werken
Tritium is een bijzondere, radioactieve variant van waterstof. Waar een gewoon waterstofatoom alleen uit één proton bestaat, heeft tritium daar twee neutronen bij in de kern. Die extra lading maakt het atoom instabiel: het valt langzaam uiteen en zendt daarbij straling uit. Vergelijk het met een gewone fiets (waterstof) die iemand extra bagagedragers heeft opgeschroefd (de neutronen) – het geheel werkt nog wel, maar is minder stabiel en verandert vroeg of laat weer terug in iets eenvoudigers.
Tritium duikt steeds vaker op in het nieuws omdat het een sleutelrol speelt in kernfusie, de technologie die energie wil opwekken op dezelfde manier als de zon dat doet. Daarnaast wordt het al decennia gebruikt in zelflichtende noodverlichting en horloges, zonder batterij. Dat tritium zeldzaam, duur en enigszins radioactief is, maakt het tegelijk een van de grootste praktische knelpunten voor de fusiesector.
Wat is het precies?
Waterstof komt in de natuur voor in drie varianten, isotopen genoemd: atomen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen in de kern. Gewone waterstof (protium) heeft alleen een proton. Deuterium heeft er een neutron bij en wordt ook wel "zware waterstof" genoemd; water met deuterium heet zwaar water. Tritium gaat nog een stap verder met twee neutronen erbij.
Die extra neutronen maken tritium radioactief: het is niet stabiel en vervalt met een halveringstijd van ongeveer 12,3 jaar. Dat betekent dat de helft van een hoeveelheid tritium na ruim twaalf jaar is omgezet in helium-3, via een proces dat bèta-verval heet, waarbij een laagenergetisch elektron vrijkomt. Die straling is zwak genoeg om niet door de huid te dringen, maar tritium moet wel zorgvuldig worden ingesloten omdat het als gas of in water gemakkelijk door het lichaam kan worden opgenomen.
Tritium komt van nature nauwelijks voor; hooguit sporen ontstaan wanneer kosmische straling de atmosfeer raakt. Vrijwel al het tritium dat gebruikt wordt, is kunstmatig gemaakt, meestal in kernreactoren die zwaar water gebruiken als koelmiddel. Daar vangt het zware water af en toe een neutron op en verandert het in tritium, als bijproduct van gewone energieopwekking.
De belangrijkste toepassing is als brandstof voor kernfusie. Wanneer een kern van tritium en een kern van deuterium onder extreme druk en temperatuur (rond de honderd miljoen graden) worden samengeperst, smelten ze samen tot een heliumkern, waarbij een neutron en een grote hoeveelheid energie vrijkomen. Deze combinatie, deuterium-tritiumfusie genoemd, is verreweg de makkelijkst haalbare fusiereactie met de technologie die we nu hebben, en daarom de standaardkeuze voor vrijwel elk groot fusieproject.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een nieuwe, schone bron van elektriciteit. Kernfusie stoot geen CO2 uit tijdens bedrijf, gebruikt relatief kleine hoeveelheden brandstof, en het proces kan niet op de manier op hol slaan zoals bij een kernsplijtingsongeval: als de omstandigheden niet meer kloppen, stopt de fusiereactie vanzelf. Ook produceert fusie geen langlevend hoogradioactief afval zoals splijtingsreactoren dat doen, al ontstaat er wel radioactief materiaal in de reactorwand door het neutronenbombardement.
Om dat voor elkaar te krijgen moet de industrie twee dingen tegelijk oplossen: genoeg deuterium-tritiumplasma lang genoeg heet en dicht genoeg houden om meer energie te winnen dan er instopt, én tritium op grote schaal en betaalbaar produceren. Dat laatste is minstens zo belangrijk als de plasmafysica, omdat de wereldvoorraad tritium uiterst beperkt is.
Los van energie wordt tritium ook gebruikt in onderzoek, bijvoorbeeld om moleculen in de scheikunde en biologie te "labelen" en hun weg door een systeem te volgen, en in zelflichtende verlichting die geen stroom of batterij nodig heeft: noodbordjes, kompassen, wijzerplaten van horloges en richtmiddelen. Daar zit tritiumgas in kleine glazen buisjes bekleed met een fosforlaag; de straling van het tritium brengt de fosfor aan het gloeien, zonder enige externe energiebron, jarenlang.
Voorbeelden uit de praktijk
De Britse fusiereactor JET (Joint European Torus), decennialang de grootste tokamak ter wereld, gebruikte in 2021 en 2022 voor het eerst sinds de jaren negentig weer een volledige deuterium-tritiummengeling en zette daarmee nieuwe records neer voor de hoeveelheid opgewekte fusie-energie in een enkele test. JET is inmiddels buiten gebruik gesteld, maar de metingen worden nog altijd gebruikt om nieuwe reactoren te ontwerpen.
In de Verenigde Staten meldde het National Ignition Facility van het Lawrence Livermore National Laboratory eind 2022 dat het voor het eerst meer fusie-energie uit een schot had gehaald dan de lasers er met hun bundels in hadden gestopt. Dit gebeurt met een heel andere techniek dan een tokamak: een piepklein balletje deuterium-tritiumbrandstof wordt met een batterij lasers ineengedrukt (inertiële opsluiting) in plaats van met magneetvelden.
ITER, de grootste internationale fusieproefreactor ooit, wordt gebouwd in Cadarache in Zuid-Frankrijk door een samenwerkingsverband van 35 landen, waaronder de Europese Unie, de Verenigde Staten, Rusland, China, India, Japan en Zuid-Korea. Het project moet aantonen dat een tokamak op ware grootte tientallen keren meer energie kan produceren dan erin gestopt wordt.
In de private sector bouwt Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van het Massachusetts Institute of Technology, de compactere tokamak SPARC in Devens, Massachusetts. Het bedrijf maakt gebruik van sterke supergeleidende magneten om met een kleinere machine toch hoge prestaties te halen, en wil daarmee sneller en goedkoper resultaten boeken dan de grote staatsprojecten.
Hoe ver is de techniek?
Fusie-energie heeft de afgelopen jaren belangrijke natuurkundige mijlpalen gehaald: zowel JET als het National Ignition Facility heeft laten zien dat een fusiereactie meer energie kan opleveren dan er rechtstreeks in het plasma of doelwit wordt gestopt. Dat is wetenschappelijk een doorbraak, maar geen bewijs dat een fusiecentrale al netto elektriciteit aan het net kan leveren: de energie die nodig is om de hele installatie te laten draaien (lasers, magneten, koeling) is nog altijd veel groter dan wat eruit komt.
Een van de grootste, minder zichtbare obstakels is tritium zelf. De wereldvoorraad is klein, vaak geschat op enkele tientallen kilogrammen, en wordt vrijwel volledig bijeengesprokkeld als bijproduct van bestaande zwaarwaterreactoren, met name in Canada. Omdat tritium met een halveringstijd van ruim twaalf jaar gestaag vervalt, slinkt die voorraad ook nog eens vanzelf. Prijsindicaties in de vakliteratuur lopen op tot tientallen duizenden dollars per gram, al zijn exacte huidige marktprijzen niet openbaar en lastig te verifiëren.
Toekomstige fusiecentrales zullen daarom hun eigen tritium moeten kweken, in zogeheten "breeding blankets": een wand rond het plasma gevuld met lithium, dat door de tijdens fusie vrijkomende neutronen wordt omgezet in nieuw tritium. Om zelfvoorzienend te zijn moet zo'n systeem een "breeding ratio" boven de 1 halen, dat wil zeggen: meer tritium produceren dan de reactor verbruikt. Dat principe is natuurkundig onderbouwd, maar is nog niet op ware schaal in een werkende reactor gedemonstreerd; ITER zal hiervoor pas in een latere testfase experimentele bekledingsmodules beproeven. Realistische schattingen van onderzoekers en de sector zelf houden er rekening mee dat commerciële fusiestroom, inclusief een werkend tritiumkweeksysteem, niet vóór het midden van deze eeuw op het net zal komen, en veel van die tijdlijnen zijn de afgelopen decennia herhaaldelijk naar achteren geschoven.
Wie werken eraan?
ITER is het grootste internationale samenwerkingsproject, gedragen door de Europese Unie (via Euratom), de Verenigde Staten, Rusland, China, India, Japan en Zuid-Korea. Binnen Europa coördineert het consortium EUROfusion het wetenschappelijk onderzoek, onder meer op de voormalige JET-installatie in het Verenigd Koninkrijk.
In de Verenigde Staten combineren nationale laboratoria als Lawrence Livermore, Oak Ridge en Princeton Plasma Physics Laboratory fundamenteel onderzoek naar plasmafysica en tritiumbeheer. Oak Ridge heeft van oudsher veel expertise in het hanteren en opslaan van tritium, mede door zijn geschiedenis in de Amerikaanse nucleaire industrie.
Daarnaast is een groeiende groep private bedrijven actief, vaak met durfkapitaal gefinancierd: Commonwealth Fusion Systems en TAE Technologies in de Verenigde Staten, Tokamak Energy in het Verenigd Koninkrijk, en verschillende Chinese initiatieven rond het geplande CFETR-testreactorproject. Toezicht op tritium als nucleair materiaal, inclusief veiligheidsnormen voor opslag en transport, valt internationaal onder de Internationale Organisatie voor Atoomenergie (IAEA).