Energie opwekken met een deeltjesversneller

Een deeltjesversneller zou meer energie kunnen opwekken dan dat deze er verbruik, dit wordt aangetoond in een 34 jaar oude paper van een onderzoek. Een deeltjesversneller is een apparaat waarin geladen deeltjes (elementaire deeltje, subatomaire deeltjes maar ook zwaardere atoomkernen) tot hoge energieniveaus gebracht worden door ze te versnellen tot snelheden in de buurt van de lichtsnelheid. Dit versnellen gebeurt met behulp van sterke elektrische en in de meeste gevallen ook magnetische velden.


Deeltjesversneller worden in het algemeen gebruikt om de kleinste bouwstenen van de materie te bestuderen, hiervoor zijn wel heel erg grote deeltjesversnellers nodig. Maar dit is nu niet direct een onderwerp waarmee we elke dag in aanraking komen. De bekendste deeltjesversneller is de Large Hadron Collider van het CERN-laboratorium, dit is de ondergrondse deeltjesversneller gebouwd nabij de Frans-Zwitserse grens in de buurt van Genève. Dit is de grootste en krachtigste deeltjesversneller die ooit gebouwd is geweest door de mensen. Maar deeltjesversnellers kunnen ook voor andere toepassingen gebruikt worden, die dichter bij de 'gewone' mensen staat. Zo worden deeltjesversnellers gebruikt voor het bestralen van kankerpatiënten.

Dat deeltjesversneller ook gebruikt zouden kunnen gebruikt worden om elektriciteit mee op te wekken ligt nu niet direct voor de hand. En het idee dat er meer energie mee kan opgewekt worden als dat er verbruikt wordt, lijkt op het eerste zicht maar onzin. Maar toch is dit allemaal niet zo ver gezocht. Robert Wilson, een Amerikaanse fysicus die meehielp aan het bouwen en aan de onderzoeken op de Tevatron-versneller van Fermilab, toonde dit 34 jaar geleden al aan. De Tevatron-versneller is de tweede grootste deeltjesversneller van de wereld en doe werd gebouwd in Chicago. Fermilab is eigenlijk de Amerikaanse 'tegenhanger' van het Europese CERN, het is het Amerikaanse nationale onderzoekscentrum dat gespecialiseerd is in de hoge energie fysica. Robert Wilson was de directeur van Fermilab, tot hij in 2000 overleed. In de paper die hij toen over dit onderwerp schreef, werd er aangetoond dat het mogelijk is om met een deeltjesversneller meer energie te gaan opwekken dan dat er verbruikt wordt. Onlangs kwam deze befaamde paper weer aan het ligt via arXiv, een on-line archief voor elektronische preprints van wetenschappelijke papers over wiskunde, fysica, informatica, kwantitatieve biologie en statistiek.

De Tevatron-versneller maakte gebruik van supergeleidende magneten die een straal van protonen met hoge energie in een gigantische cirkelvormige baan te sturen. Deze versneller werd ook wel de Energy Doubler/Saver genoemd en deze was in die tijd erg speciaal omdat voor de eerste keer supergeleidbaarheid op zo'n grote schaal werd gebruikt. Dit had aanzienlijke gevolgen voor de hoeveelheid tijd en werk er nodig was om het ding te doen werken. Maar hierdoor verbruikte deze deeltjesversneller wel veel minder energie. En het was juist dit wat Robert Wilson erg interessant vond. Veronderstel dat deze protonen met hoge energie in een blok uranium gezonden worden. Indien één proton in het blok uranium gestuurd zou worden, dan zou deze normaal gezien zo'n 60.000 neutronen vrij komen in het materiaal.

Deze vrije neutronen zouden dan neutronenactivering veroorzaken. Neutronenactivering is een techniek waarbij materie kunstmatig radioactief gemaakt wordt door blootstelling aan vrije neutronen. De atoomkernen zullen deze neutronen invangen en gaan zo over in een ander isotoop van het zelfde element met een massagetal dat één eenheid hoger is. Deze isotopen zijn vaak niet stabiel en zo wordt het materiaal dus radioactief. In het uranium wordt er, wanneer de atoomkernen een neutron invangen, plutonium gevormd. Dus door het ene proton worden er zo'n 60.000 plutonium atomen geproduceerd. Bij verbranding in een kernreactor, is elk plutonium atoom  in staat om 0,2 GeV aan energie te produceren. Elektronvolt ofwel eV is een eenheid van energie die vooral gebruikt wordt in de deeltjesfysica, atoomfysica en de vastestoffysica en 1GeV ofwel 1 gigaelektronvolt staat gelijk aan 1,602 x 10^(-10) Joule. En dus zouden alle 60.000 plutonium atomen samen 12.000 GeV of 1,923 x 10^(-6) Joule produceren. Aan de hand van deze berekeningen stelde Robert Wilson vast dat het mogelijk is om met een proton die 1000 GeV aan energie bevat, 12.000 GeV aan kernenergie te gaan opwekken.

Natuurlijk gaat het opwekken van de proton van 1000 GeV gepaard met het verbruik van energie. Zo is er 20MW aan vermogen nodig om een protonen-straal van 0,2MW te produceren met de Tevatron-versneller. Maar ondanks dit lage rendement blijft het nog steeds interessant om dit proces verder te gaan onderzoeken indien energieproductie mogelijk is over het totaal proces. De conclusie van Wilson's paper was dat er waarschijnlijk betere methodes zijn om plutonium te gaan produceren, maar het lijkt mogelijk om een intense proton versneller te gaan bouwen die meer energie zou kunnen produceren dan dat deze verbruikt. En nu 34 jaren later, is de technologie in de deeltjesversnellers er sterk op vooruit gegaan. Het rendement van de huidige deeltjesversneller is hoger dan die van toen en dit maakt Wilson's idee nog interessanter. En doordat er via deze methode om energie op te wekken, eigenlijk geen CO2 wordt geproduceerd, maakt dit alles zeker het onderzoeken waard.

Deze techniek zou zeer interessant kunnen zijn voor de kerncentrales maar ook voor ruimtevaartuigen die een lange tijd in de ruimte moeten vertoeven. Plutonium wordt ook gebruikt bij de productie van kernwapens en dus is de hoeveelheid plutonium die een land mag bezitten beperkt door het non-proliferatieverdrag. Dit verdrag is opgesteld om het bezit van kernwapens te beperken. Door dit verdrag zal het dus waarschijnlijk ook niet mogelijk zijn om plutonium met deze technologie, op een dergelijke schaal te gaan produceren. En het is dus hoogst onwaarschijnlijk dat de Large Hadron Collider zou gebruikt gaan worden voor de productie van plutonium.

via [arxiv]