Kernfusie belooft een revolutie in schone energieopwekking; maar voordat we zover zijn, moeten ingenieurs en wetenschappers een van de grootste uitdagingen overwinnen: de extreme omstandigheden binnen een fusie-reactor.
Temperaturen die hoger liggen dan die van de zon, hevige plasmastromen en intensieve deeltjesinslagen maken het kiezen van de juiste materialen voor reactorwanden een complex vraagstuk. Het Nederlandse DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) speelt hierin een sleutelrol met hun geavanceerde testfaciliteit, Magnum-PSI.
Magnum-PSI: het ultieme testlaboratorium
Magnum-PSI is een unieke lineaire plasma-generator die het mogelijk maakt om materialen bloot te stellen aan omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die in toekomstige fusiereactoren, zoals ITER. Dit maakt het wereldwijd de enige faciliteit waar materialen langdurig getest kunnen worden onder zulke extreme omstandigheden.
“Magnum-PSI is de enige laboratoriumfaciliteit die materialen kan testen onder intense hitte en deeltjesbombardementen, vergelijkbaar met wat reactorwanden in ITER moeten doorstaan,” aldus DIFFER.
Waarom traditionele materialen tekortschieten
Zelfs de meest robuuste vaste materialen, zoals wolfraam, hebben moeite om de extreme condities in een fusiereactor te doorstaan. Wolfraam, met een smeltpunt van 3.400°C, is momenteel de voorkeurskeuze voor reactorwanden, maar het is niet onkwetsbaar. Langdurige blootstelling aan plasma leidt tot erosie, scheurvorming en verzwakking van de structuur, wat uiteindelijk de levensduur van de reactor in gevaar kan brengen.
De oplossing: zelfherstellende vloeibare metalen
Om dit probleem te tackelen, onderzoeken DIFFER-wetenschappers een innovatieve oplossing: een dunne laag vloeibaar metaal als beschermende barrière. Dit concept maakt gebruik van de zelfherstellende eigenschappen van vloeibare metalen om schade door plasma-impact direct te herstellen. Wanneer de plasma-energie het oppervlak raakt en materiaal wegslijt, vloeit het metaal vanzelf terug om het gat te vullen en de bescherming te herstellen.
Enkele voordelen van vloeibare metalen:
- Zelfherstel: verlengde levensduur van de reactor en minder onderhoud.
- Plasma-stabilisatie: de dynamische eigenschappen van vloeibaar metaal kunnen bijdragen aan een stabielere fusie-reactie.
- Flexibiliteit in materiaalkeuze: onderzoek richt zich op metalen met hoge smeltpunten en lage vluchtigheid, zoals lithium en tin.
Uitdagingen
Hoewel de theorie veelbelovend is, zijn er praktische uitdagingen die overwonnen moeten worden:
- Het juiste vloeibare metaal vinden dat bestand is tegen hoge temperaturen en tegelijkertijd stabiel blijft.
- Een robuust supportsysteem ontwerpen, zoals een gaasstructuur, waarop de vloeibare laag kan rusten en gecontroleerd kan stromen.
- Geavanceerde fabricagetechnieken toepassen, zoals 3D-printing, om nauwkeurige structuren te bouwen die de vloeibare metalen optimaal ondersteunen.
Met behulp van Magnum-PSI werkt DIFFER aan het optimaliseren van deze technologie en biedt het de mogelijkheid voor externe onderzoeksgroepen om samen te werken aan deze baanbrekende ontwikkelingen.
Lees ook: Doorbraak in kernfusie: per toeval ontdekt proces kan cruciaal lithium-6 leveren
Nederland is onmisbaar in fusie-onderzoek
Hoewel het Nederlandse DIFFER zelf geen fusie-reactor exploiteert, speelt het een cruciale rol in het voorbereiden van materialen en technologieën voor de volgende generatie fusiecentrales.
De faciliteit heeft al indrukwekkende resultaten geboekt: in een baanbrekend experiment in 2018 wist Magnum-PSI een stuk wolfraam bloot te stellen aan een plasmabelasting die gelijkstaat aan een jaar ITER-operatie in slechts 18 uur. Dit gaf waardevolle inzichten in de duurzaamheid van materialen en versterkte het vertrouwen in de materiaalkeuzes voor ITER.
Met de voortdurende ontwikkeling van innovatieve materialen en technologieën brengt DIFFER ons dichter bij een toekomst waarin kernfusie een schone en onuitputtelijke energiebron wordt. De zoektocht naar de ultieme reactorwand is nog niet ten einde, maar dankzij faciliteiten zoals Magnum-PSI worden de grenzen van de materiaalkunde steeds verder verlegd.
