Nieuwe materialen voor eerste wand fusiereactor

Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) werken samen met verschillende industriële partners aan nieuwe materialen en productietechnieken voor de zogenoemde eerste wand van fusiereactoren. Deze wand vormt de directe barrière tussen het miljoenen graden hete plasma en de constructie erachter en moet daardoor bestand zijn tegen uitzonderlijk zware thermische en stralingsbelastingen.

Binnen het Duitse samenwerkingsproject DINERWA, dat ruim 11 miljoen euro subsidie ontvangt van het federale ministerie voor Onderzoek, Technologie en Ruimtevaart (BMFTR), moet worden aangetoond dat de materialen niet alleen theoretisch bestaan, maar ook industrieel maakbaar en langdurig inzetbaar zijn.

Een van de lastigste onderdelen van een fusiereactor

De eerste wand wordt gezien als een van de grootste technische uitdagingen op weg naar commerciële kernfusie. Waar onderzoekslaboratoria nog kunnen werken met kleine modules, moeten toekomstige fusiecentrales continu en betrouwbaar draaien. Dat betekent dat materialen jarenlang stabiel moeten blijven onder temperaturen, neutronenfluxen en cyclische belastingen die in geen enkele andere industriële omgeving voorkomen. “De wand moet het hete plasma afschermen en tegelijkertijd mechanisch en thermisch intact blijven,” zegt dr. Carsten Bonnekoh van het KIT. “Dat vergt een materiaalontwikkeling die verder gaat dan wat we nu in energie-installaties gewend zijn.”

Nieuwe generatie hitte- en stralingsbestendige materialen

Binnen DINERWA wordt daarom gewerkt aan verschillende materiaalconcepten die deze extreme omstandigheden beter moeten kunnen doorstaan. Een belangrijke rol is weggelegd voor oxid-dispersieversterkte (ODS) legeringen van staal en koper. Door zeer fijn verdeelde deeltjes in de microstructuur behouden deze materialen hun sterkte en taaiheid, zelfs bij langdurige stralingsbelasting. Daarnaast onderzoeken de projectpartners nanogestructureerd wolfraam, dat bekendstaat om zijn uitzonderlijk hoge smeltpunt maar doorgaans bros is, en high-entropy alloys, een relatief nieuwe klasse legeringen waarin meerdere basiselementen in vrijwel gelijke verhouding worden gecombineerd om ongebruikelijke materiaaleigenschappen te verkrijgen.

De ontwikkeling van deze materialen gaat hand in hand met de vraag hoe ze uiteindelijk moeten worden verwerkt tot grote, complexe wandmodules. Poedermetallurgie en additive manufacturing spelen hierbij een belangrijke rol. Partners als CEP Freiberg, Hermle Maschinenbau en Zoz GmbH vertalen de laboratoriumresultaten van het KIT naar grotere productiebatches en verkennen productieroutes die geschikt zijn voor industriële opschaling. Daarmee moet worden voorkomen dat veelbelovende materialen in het laboratorium blijven steken omdat ze lastig te produceren zijn.

Van labresultaten naar realistische tests

Een cruciaal onderdeel van het project is het testen van de nieuwe materialen en componenten onder omstandigheden die zo dicht mogelijk aansluiten bij die van een toekomstige fusiereactor. Op de HELOKA-installatie in Karlsruhe worden teststukken blootgesteld aan extreem hoge warmtefluxen en belastingscycli. Volgens Bonnekoh is dit de stap die bepaalt of een materiaal werkelijk toekomst heeft: “We willen laten zien dat deze wandconcepten niet alleen onder ideale labomstandigheden overeind blijven, maar ook bij de dynamiek en belasting van een echte reactorcomponent.”

Het GSI Helmholtzzentrum levert aanvullende expertise op het gebied van stralingsbestendigheid door materialen te beschieten met ionenstraling. Het Studiecentrum voor Kernenergie in Mol is betrokken als geassocieerd onderzoekspartner. Door onderzoekslaboratoria, materiaalproducenten en technologiebedrijven aan elkaar te koppelen, probeert DINERWA de volledige keten te bestrijken: van fundamenteel materiaalonderzoek tot industriële productie en praktijkvalidatie.

Vooruitblik richting fusie-demonstratiereactoren

Het uiteindelijke doel van DINERWA is het aantonen dat duurzame en industrieel maakbare wandmodules daadwerkelijk haalbaar zijn. Dat is essentieel voor de ontwikkeling van fusietechnologie van proefopstellingen naar economisch rendabele energiecentrales. Volgens projectleider prof. Wolfgang Theobald van Focused Energy kan een robuuste eerste wand de onderhoudsfrequentie en stilstandtijd van toekomstige reactoren drastisch beperken, iets wat cruciaal is om fusie uiteindelijk competitief te maken in de energiemarkt.

Met de resultaten van DINERWA moet duidelijk worden welke materiaalconcepten het meest kansrijk zijn, hoe ze het best geproduceerd kunnen worden en welke ontwerpbenaderingen nodig zijn voor lange levensduur. Daarmee legt het project een belangrijke basis voor de eerste generatie demonstratiereactoren en voor de ambitie om een betrouwbare, schone en vrijwel onuitputtelijke energiebron mogelijk te maken.