De onderzoeksopstelling bij DIFFER in Eindhoven
De onderzoeksopstelling bij DIFFER in Eindhoven © DIFFER

Doorbraak: wand fusiereactor kan worden beschermd met dun laagje vloeibaar metaal

Het is een van de belangrijkste obstakels die moeten worden overwonnen bij kernfusie: zorgen dat de wand van de reactor bestand is tegen de extreem hoge temperaturen die vrijkomen bij deze vorm van energieopwekking. Wetenschappers van het Nederlands instituut voor fundamenteel energieonderzoek Differ in Eindhoven zeggen een doorbraak te hebben bereikt bij het zoeken naar een oplossing voor dit probleem. Ze ontdekten dat de wand van een reactor kan worden beschermd met een dun laagje van vloeibaar metaal.

Voor de toekomst van kernfusie is het van groot belang dat er een materiaal wordt gevonden dat langdurig temperaturen kan weerstaan die vergelijkbaar zijn met die op het oppervlak van de zon. Bij kernfusie worden in een ringvormig vat met magneetvelden lichte atoomkernen van waterstof versmolten. In dit proces krijgt de uitlaat oftewel divertor van de fusiereactor, een onderdeel dat fungeert als een soort stofzuiger voor fusieproducten, een waar bombardement van enorme hitte en deeltjes te verwerken.

Voor de experimentele fusiereactor Iter die in Frankrijk wordt gebouwd is in de divertor gekozen voor een wand die bestaat uit wolfraam, een metaal dat vooral bekend is van het gloeidraadje in gloeilampen. Over de levensduur van een dergelijke reactorwand bestaat onzekerheid. De vraag is hoe het materiaal zich houdt in reactoren die permanent en met nog hogere temperaturen moeten gaan draaien dan Iter. Daarom gingen de natuurkundige Stein van Eden en enkele collega's op zoek naar een alternatief voor centrales die na Iter zullen worden gebouwd.

Ze ontwikkelden in het laboratorium een wand voor de uitlaat waarin een laagje vloeibaar tin gevangen zit in een sponsachtige houder van wolfraam. Deze wand bleek koeler te blijven dan de vaste wand en zichzelf bovendien voortdurend te repareren. Het vloeibare metaal kan energie-uitbarstingen uit de reactor opvangen en verdunnen voordat die de wand zelf bereiken, aldus Van Eden, die zijn bevindingen publiceerde in Nature Communications. 'Voor de vloeibare reactorwand ontstaat een gaswolkje van tin, dat werkt als een soort schild. Dat blijkt energie op te vangen en naar alle kanten uit te stralen.'

Hiermee wordt een veelbelovende nieuwe weg ingeslagen die kan leiden tot een definitieve oplossing van het probleem van de wandmaterialen

Marco de Baar, hoofd fusieonderzoek van Differ

Volgens Marco de Baar, hoofd fusieonderzoek van Differ, wordt met de ontdekking een veelbelovende nieuwe weg ingeslagen die kan leiden tot een definitieve oplossing van het probleem van de wandmaterialen. Mogelijk zal de vloeibare wand worden opgenomen in het ontwerp van de fusiecentrale Demo, de geplande opvolger van Iter die rond 2050 stroom moet gaan opwekken. Of dat inderdaad zal gebeuren is nu nog niet bekend. 

De oplossing met vloeibaar metaal is een van de alternatieven waarnaar gekeken wordt, zegt Tony Donné, directeur van het Europese samenwerkingsverband voor fusie-onderzoek Eurofusion. Over een jaar of vijf, zes wordt gekozen welke methode zal worden toegepast in het ontwerp van Demo. 'De methode waarover Van Eden heeft gepubliceerd is een goede kandidaat. Deze ontdekking is belangrijk.'

In het Franse Cadarache wordt nu gewerkt aan het Iter-complex. Het project heeft jaren vertraging opgelopen, maar het is de bedoeling dat de experimenten daar in 2025 beginnen. In de jaren dertig en veertig moet het werk beginnen aan de Demo-centrale, die 1.500 tot 2.000 megawatt aan elektriciteitsnet moet gaan leveren.