Vloeibaar lithium belooft duurzamere fusiecentrales

De reactorwanden in toekomstige fusiecentrales staan bloot aan extreme omstandigheden: temperaturen van miljoenen graden en intensieve deeltjesbombardementen. Zelfs het huidige voorkeursmateriaal, wolfraam, slijt onder deze omstandigheden in circa anderhalf jaar. Onderzoek naar vloeibare metalen zoals lithium moet uitkomst bieden.

Op 9 juli promoveerde Maria Morbey Affonso Demitrion Cunha aan Differ (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) op haar onderzoek naar de interactie tussen lithium en waterstofisotopen in fusieomgevingen.

Van wolfraam naar vloeibaar metaal

In de divertor – het deel van de reactorwand dat de meeste hitte en deeltjes opvangt – kan plotseling plasma-instabiliteit grote schade aanrichten. Wolfraam heeft een hoge smelttemperatuur en is robuust, maar niet immuun. Vloeibaar lithium biedt voordelen: het kan zichzelf herstellen, warmte beter spreiden via dampafscherming en onzuiverheden in het plasma verminderen.

Het nadeel is dat lithium zich graag bindt aan waterstofisotopen, waaronder tritium, de kostbare en radioactieve brandstof voor fusie. Wanneer tritium zich ophoopt in de wand, gaat waardevolle brandstof verloren en ontstaan veiligheidsvraagstukken.

Experimenten met lithium en deuterium

Om dit proces beter te begrijpen onderzocht Morbey de interactie tussen lithium en deuterium, een niet-radioactieve vervanger van tritium. De experimenten vonden plaats in internationale onderzoeksfaciliteiten zoals de DIII-D tokamak in de VS en de Magnum-PSI-installatie bij Differ.

De resultaten laten zien dat deuterium vooral wordt vastgehouden in dunne lagen die ontstaan wanneer lithium en deuterium samen worden afgezet. Deze lagen binden sterk, ook bij hoge temperaturen. Waterdamp kan deels helpen door vorming van lithiumoxide, maar een te dikke oxidelaag blokkeert verdere vrijgave.

Een veelbelovende methode is isotopenuitwisseling: hierbij verdringt normaal waterstof het gevangen deuterium. Vooral bij hogere temperaturen bleek dit effectiever dan enkel verhitten. Tussen plasmashots door kan zo tritium worden teruggewonnen, en in circulerende lithiummodules zelfs continu.

Stap richting duurzame fusie

Dit onderzoek levert cruciale kennis voor het ontwikkelen van duurzame fusiecentrales waarin tritium efficiënt beheerd kan worden. Morbey: “Door beter te begrijpen hoe lithium zich gedraagt, kunnen we ontwerpen maken die tritiumverlies beperken en de levensduur van reactorwanden verlengen.”

Na haar promotie blijft Morbey als postdoc bij Differ, waar ze haar focus verlegt van vloeibare naar vaste materialen zoals wolfraam.