Onverwachte energiebarrière voor waterstofopname in wolfraamwand fusiereactor

In een fusiereactor smelten zware varianten van waterstof (deuterium en tritium) samen tot helium. Daardoor komt schone energie vrij in de vorm van warmte. De uitlaat van een fusiereactor moet grote hoeveelheden warmte en deeltjes weerstaan. Toch zullen de wanden van de reactor altijd wat fusiebrandstof absorberen. Omdat wegens veiligheidsredenen maar een beperkte hoeveelheid brandstof in de reactor aanwezig mag zijn, streven fysici ernaar de opname van waterstof in het wandmateriaal tot een minimum te beperken. Daarom krijgt de geavanceerde toekomstige reactor Iter een uitlaat van het metaal wolfraam. Wolfraam heeft een hoog smeltpunt, een goede warmtegeleiding en neemt weinig waterstof op, al kan die opname onder invloed van neutronen uit de fusiereactie ordes van grootte stijgen.

Onverwachte afscherming

Promovendus Rianne ‘t Hoen en haar collega dr. Pedro Zeijlmans van Emmichoven van Differ deden hun experimenten samen met collega’s van de Universiteit van Amsterdam en het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Ze ontdekten dat de kans op opname van waterstofdeeltjes in wolfraam met een factor miljoen daalt bij de extreem hoge deeltjesstromen zoals die worden verwacht in Iter.

Het team bootste de intense omstandigheden bij de uitlaat van een fusiereactor na met Differ’s opstelling Pilot-PSI. Toen ze vergeleken hoeveel waterstof op de wand af raast en hoeveel er daadwerkelijk in het metaal doordringt, ontdekten ze een onverwacht afschermingseffect.

Beschermlaagje

"Het lijkt erop dat aan het metaaloppervlak een beschermlaagje waterstof van één atoom dik ontstaat", zegt ‘t Hoen. "Dat zou de energiebarrière die we meten perfect verklaren." De waterstofatomen die arriveren bij het wolfraamoppervlak botsen met de atomen in het beschermlaagje, waardoor ze een groot deel van hun energie verliezen. Daardoor dringt slechts één op de miljoen waterstofatomen door in de diepere metaallagen.

Hoewel de omstandigheden in de uitgevoerde experimenten veel lijken op die bij een reactoruitlaat, zijn ze niet identiek. Eén verschil is dat de deeltjes in een grootschalige fusiereactor mogelijk met een grotere energie op het wolfraam botsen. Toekomstig onderzoek bekijkt het effect van de deeltjesenergie en de oppervlaktetemperatuur op de waterstofopname in wolfraam.

Homepage onderzoeksgroep: Plasma Surface Interactions-Engineering

Strongly reduced penetration of atomic deuterium in radiation damaged tungsten, Physical Review Letters, 111, 225001 (27 november 2013)