Wand fusiereactor heeft onverwachte bescherming tegen extreme hitte

Momenteel bouwt een internationale samenwerking aan de fusiereactor Iter, die is ontworpen om de technische haalbaarheid van fusie als energiebron aan te tonen. In het hart van reactoren als Iter bevindt zich een gloeiend heet plasma. Vanuit dat plasma regent het korte, intense energieuitbarstingen op de reactorwand. In Iter staat de wand elke seconde een aantal vernietigende ontladingen te wachten met energieën van een paar gigawatt per vierkante meter. Onderzoekers van FOM-instituut Differ ontdekten echter dat onder sommige omstandigheden minder dan de helft van de energie in zo’n uitbarsting daadwerkelijk op het oppervlak terechtkomt.

Pilot-PSI

Met Differ’s plasma-experiment Pilot-PSI ontdekten de natuurkundigen dat het wandmateriaal wolfraam zichzelf beschermt door een verkoelende wolk waterstof uit te stoten. Het is voor het eerst dat fusie-onderzoekers in zoveel detail zien hoe de energiepulsen en de reactorwand elkaar beïnvloeden.

Natuurkundige dr. Greg De Temmerman leidt het onderzoek aan plasma-wand-wisselwerking bij Differ. Met de laboratoriumopstelling Pilot-PSI wist De Temmerman’s team van onderzoekers van Differ en de Technische Universiteit Eindhoven als eerste laboratorium ter wereld de hevige energieuitbarstingen (ELMs – Edge Localized Modes) na te bootsen waar toekomstige fusie-energiecentrales mee te maken krijgen. "In bestaande fusiereactoren komen natuurlijk ook al zulke ontladingen voor," geeft De Temmerman aan, "maar daar dragen ze veel minder energie dan we verwachten in Iter. Met onze laboratoriumopstelling kunnen we vergelijkbare plasma’s maken als in Iter. Deze kleinere opstellingen zijn veel flexibeler en geven meer toegang voor meetinstrumenten."

Tegenintuïtief

"Tijdens de nagebootste ELMs zagen we iets compleet tegenintuïtiefs gebeuren", vertelt De Temmerman: "Hoe meer vermogen we op het wandmateriaal afstuurden, hoe minder energie het oppervlak bereikte. De temperatuur bleek al voor het eind van een energiepuls te pieken en daalde daarna; tegelijk zag onze snelle camera H-alpha-licht vrijkomen bij het oppervlak." Die spectraallijn wijst erop dat koud waterstofgas vrijkomt uit het wolfraamoppervlak. De Temmerman: "We weten al dat het metaal wolfraam als een spons waterstof uit de reactor op kan zuigen. Het lijkt erop dat de binnenkomende energiepuls waterstof vrijmaakt, dat dan als een beschermde gasdeken energie uit de rest van de puls opneemt en verstrooit voordat de energie de wand raakt." Dat blijkt ook uit simulaties van de hoeveelheid opgeslagen waterstof voor en na een energiepuls.

Energieuitbarstingen in Iter

Kernfusie-onderzoekers proberen in tokamak-reactoren zoals Iter de motor van de zon na te bootsen als duurzame energiebron. In een fusiereactor botsen waterstofkernen bij honderden miljoenen graden Celsius en smelten ze samen tot helium, waarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. Iter is ontworpen om de technische haalbaarheid van fusie als energiebron aan te tonen, en komt begin jaren ’20 in bedrijf. Op zijn piek moet Iter 500 megawatt aan fusievermogen produceren, terwijl maar 50 megawatt nodig is om het plasma te verhitten. Veel onderzoek aan fusie richt zich op de energieuitbarstingen uit het plasma, die kleine stukken reactorwand kunnen laten smelten met hun warmtebelasting van gigawatts per vierkante meter.

Het onderzoeksresultaat in Applied Physics Letters lijkt goed nieuws voor Iter: onder bepaalde omstandigheden kan de reactorwand zichzelf deels beschermen tegen de ELM-ontladingen. Het is echter nog onduidelijk of de zelfbescherming ook plaatsvindt in de complexere omgeving van een fusiereactor. Daarom is vervolgonderzoek nodig naar de exacte werking van de zelfafscherming, zodat fusie-onderzoekers een optimale wand kunnen ontwikkelen voor toekomstige fusie-energiecentrales.  

Self-shielding of a plasma-exposed surface during extreme transient heat loads, Applied Physics Letters, 24 maart 2014