Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In de rubriek Far Out elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: kunnen kernfusiereactoren de deeltjesfysica verder helpen?

Natuurkunde kan een dure business zijn. Denk aan deeltjesversnellers als de Large Hadron Collider (LHC), waarvan het bouwen alleen al zo’n 7 miljard euro kostte. Of de experimentele kernfusiereactor ITER, waarvan de geschatte kosten inmiddels zijn opgelopen tot meer dan 25 miljard. Maar goed, dan heb je ook wat. In het geval van de LHC een nieuw deeltje: het higgsboson. En in het geval van ITER een stapje richting een nieuwe vorm van duurzame energie: kernfusie.

Chaja Baruch van de technische universiteit Technion in het Israëlische Haifa en collega’s hebben nu een manier bedacht om die twee te combineren. Zet een detector naast een fusiereactor, stellen ze, en je zou zomaar nieuwe deeltjes kunnen ontdekken. “Kernfusiereactoren worden hoe dan ook gebouwd”, zegt Baruch. “Waarom zou je ze dan niet in een moeite ook voor deeltjesonderzoek gebruiken?”

Meer Far Out:

• Leven we in een computersimulatie? Volgens deze natuurkundigen niet
• ‘Deze oceaanwerelden bestaan helemaal niet’

Zelfgemaakte brandstof

Hoe zouden er dan nog onbekende deeltjes kunnen ontstaan in zo’n fusiereactor? Het eerste stapje vormen de fusiereacties waar het allemaal om draait: deuterium (een zware vorm van waterstof) en tritium (een nog zwaardere vorm van waterstof) smelten samen tot helium, waarbij ook een neutron ontstaat. Dat neutron schiet vervolgens de reactor uit, en neemt daarbij een boel energie met zich mee. Energie waar we straks, bij een echte fusiekerncentrale, stroom mee gaan opwekken.

Een van de problemen waar zo’n kerncentrale mee kampt, is het tritium dat nodig is voor de kernreacties. Tritium groeit niet aan de bomen – en is ook niet, zoals deuterium, uit zeewater te winnen. In plaats daarvan zal een kernfusiereactor zijn eigen tritium moeten maken. Om dat voor elkaar te krijgen, moet er rond zo’n reactor een wand vol lithiumatomen komen. Als dan een neutron dat bij een fusiereactie ontstaat op zo’n lithiumkern knalt, kan daarbij tritium ontstaan – dat vervolgens als nieuwe brandstof de reactor in gaat.

Maar er kan ook iets anders gebeuren, vertelt Baruch. “Het neutron kan worden ingevangen door een lithiumkern, die daardoor verandert in een zwaardere variant van dat element.” Zo’n zwaardere lithiumkern heeft wat overtollige energie, die hij vervolgens van zich af zal schudden. Dat kan dan in de vorm van het overbekende foton, het type deeltje waarvan licht is gemaakt. Maar er kan ook een deeltje ontstaan dat we nog niet kennen – en dat dus de deeltjesfysica een stap verder helpt.

Zwaar water

Normaal gesproken zou zo’n kersvers deeltje ongezien de reactor uit vliegen. “Het probleem met nieuwe deeltjes is dat ze zich weinig tot niets aantrekken van gewone deeltjes”, zegt Baruch. Daardoor ‘zie’ je ze niet zomaar en zul je, om ze te kunnen betrappen, een fikse deeltjesdetector naast je kernreactor moeten zetten. Voor die detector nemen Baruch en collega’s het Sudbury Neutrino Observatory (SNO) als voorbeeld, een experiment in een Canadese mijn. Dat bestond uit zo’n 1000 ton zwaar water (water waarbij de waterstofatomen zijn vervangen door deuteriumatomen). Vliegt daar vervolgens een deeltje genaamd een neutrino doorheen, dan heeft dat een heel kleine kans om op zo’n zwaarwatermolecuul te botsen. Daarbij ontstaat dan een lichtflitsje of een ander deeltje, dat gemeten kan worden.

Zo’n zelfde tank vol zwaar water zou je ook aan een kernfusiereactor kunnen toevoegen. “Hoe dichterbij, hoe beter”, zegt Baruch. “Hoe verder je je van de reactor bevindt, hoe meer deeltjes je mist. Stel je voor dat je een glas water probeert te vullen met een tuinslang. Als je dicht bij die slang staat, kun je bijna al het water dat daaruit komt opvangen. Maar hoe verder weg je staat, hoe meer water er niet in het glas belandt.”

Rond 2050

Een logische vraag is dan: is daar plek voor, in een toekomstige kernreactor? Die wordt immers gebouwd om een nieuwe manier van energie opwekken te pionieren. Een zoektocht naar exotische deeltjes is dan op zijn best een leuk extraatje, waar niet meteen het hele ontwerp voor overhoop gehaald zal worden. Maar, zo vertelt Baruch: zij en haar collega’s hebben contact gezocht met twee ITER­-wetenschappers en “volgens hen is het goed mogelijk dat er een plek zal zijn waar het experiment kan worden opgetuigd.”

Volgende vraag is dan wanneer dat zou kunnen gebeuren. ITER zelf laat al behoorlijk lang op zich wachten; volgens de meest recente berichten zullen de eerste fusiereacties tussen deuterium en tritium pas plaatsvinden in 2039. Maar ITER is vooral bedoeld om te laten zien dat het principe werkt. Echt energie opwekken is pas een klus voor de opvolgers van ITER, de zogenoemde DEMO­-reactors. En inmiddels is het onwaarschijnlijk dat die er ‘al’ rond 2050 zullen zijn, zegt Egbert Westerhof, fusiewetenschapper bij het Nederlandse instituut DIFFER.

Het zal dus nog minstens een paar decennia duren voordat zo’n deeltjesdetector met zijn werk kan beginnen. Is er dan geen ander deeltjesexperiment op komst dat de klus eerder kan klaren? “Ik ken geen voorstellen die genoeg deeltjes kunnen produceren en detecteren om zich te kunnen meten met wat wij hier voor ogen hebben”, zegt Baruch. “Maar misschien zijn er wel knappe koppen die vóór 2050 iets slims kunnen bedenken.”

Deze Far Out staat ook in KIJK 3-2026.