Een zon op aarde
Zo’n deklaag van gesmolten metaal kan het uiterst hete plasma in de reactor verdunnen en verstrooien. Daarmee helpen ze een van de grote vragen van kernfusie als energiebron op te lossen: de levensduur van de reactorwand. Het team van onderzoekers bij het Nederlandse instituut voor funderend energieonderzoek DIFFER beschrijft de doorbraak in het natuurkundig vakblad Physical Review Letters.
Tien megawatt per vierkante meter
Een van de grootste uitdagingen op weg naar fusie-energie is een materiaal vinden dat bestand is tegen de extreme plasmacondities bij de uitlaat (divertor) van de reactor. In de toekomstige fusiereactor ITER krijgt de divertor een continu hittebombardement te verwerken van tien megawatt per vierkante meter.
“Die omstandigheden zijn vergelijkbaar met het oppervlak van de zon of een raketuitlaat”, zegt natuurkundige Stein van Eden. Van Eden en zijn collega’s bij energieinstituut DIFFER gingen op zoek naar een alternatief voor de huidige materiaalkeuze in fusiereactoren. In plaats van een vaste wand van hittebestendig wolfraam gebruiken ze een laag vloeibaar metaal die over de reactorwand loopt. Zo’n metaallaag, redeneert het team, kan zichzelf continu repareren.
“In onze faciliteiten Pilot-PSI en Magnum-PSI kunnen we als enigen ter wereld de omstandigheden bij de wand van de fusiereactor nabootsen”, vertelt Van Eden. In zijn experimenten in Pilot-PSI liep een laagje vloeibaar tin over een sponsachtige houder van wolfraam. “Toen we de vloeistof blootstelden aan dezelfde plasmacondities als in fusiereactor, zagen we dat de temperatuur van de metaalvloeistof veel lager was dan wanneer we een vaste wand gebruiken. De vloeibare wand kan zichzelf koel houden.”
Een gaswolkje van tin
Dé vraag: waar ging die energie naartoe? Van Eden: “Boven onze vloeibare reactorwand ontstaat vanzelf een gaswolkje van tin. Die gaswolk blijkt de energie op te vangen en straalt die dan naar alle kanten uit. Door zulke vapor shielding koelt het plasma af én wordt de hitte over een veel groter oppervlak verdeeld dan wanneer het plasma direct op de wand zou komen. Hoe meer hitte, hoe meer verdamping en daarna koeling door de gaslaag.”
Onderzoeksleider Thomas Morgan van DIFFER: “In een experiment als ITER betekent een beschadigde wand verlies van meettijd. In de blauwdruk-energiecentrale DEMO die gepland is ná ITER kunnen we ons zo’n maandenlange reparatie helemaal niet veroorloven. Het concept van de zelfreparerende, zelfbeschermende reactorwand van vloeibaar metaal is daarom enorm aantrekkelijk.”
De internationale fusiereactor ITER moet de technische haalbaarheid van fusie-energie aantonen. ITER begint zijn experimenten rond 2025 en is ontworpen om als eerste fusie-experiment meer vermogen op te wekken uit kernfusie (500 megawatt) dan nodig is om de reactie te stabiliseren (50 megawatt).
Bombardement van hitte
De fusiereactie bestookt de ITER-wand met een bombardement van hitte en snelle deeltjes van tien megawatt per vierkante meter. Dat is op het randje van wat moderne materialen aankunnen. Na succesvolle experimenten in ITER begint in de jaren dertig en veertig het werk aan de blauwdruk-fusieenergiecentrale DEMO. Deze reactor moet 1500 tot 2000 megawatt aan vermogen aan het elektriciteitsnet leveren.
Het vinden van het juiste wandmaterialen is een van de hoofdvragen binnen het Europese Horizon2020-programma EUROfusion. Dat programma draagt bij aan de ontwikkeling van de fusiereactor ITER en ontwikkelt het ontwerp van de daaropvolgende demonstratie-energiecentrale DEMO. DIFFER is de Nederlandse partner van EUROfusion en helpt onderzoeksinstellingen en bedrijven aan te haken bij dit onderzoeksprogramma.
