Wandmateriaal fusiereactor overleeft helse condities

Het onderzoek is gepubliceerd in Physica Scripta. 

De onderzoekers deden een serie experimenten waarbij de condities steeds ruiger werden. In het ultieme experiment kreeg de divertor een 20 uur durend bombardement van helium- en deuteriumplasma op extra hoge intensiteit: het equivalent van een jaar lang experimenteren op volle sterkte in de Iter fusiereactor. De tests verbraken het wereldrecord voor fluence (blootstelling van materiaal aan plasma) met een factor honderd. Daarna analyseerden de onderzoekers samen met diverse Duitse onderzoeksgroepen of de eigenschappen van het materiaal waren veranderd.

Realistische mock-up van wolfraam wandmateriaal voor kernfusie-experiment Iter.

Goed nieuws is dat het blok wolfraam geen deuterium opneemt. Deuterium lijkt erg op tritium, het dure en zeldzame gas waaruit de helft van het reactiemengsel in Iter zal bestaan. Differ onderzoeksleider Tom Morgan: "Je wilt geen tritium kwijtraken doordat het in wolfraam gevangen raakt."

Herkristallisatie

Een ander belangrijk aspect is herkristallisatie, waardoor het materiaal minder sterk wordt. Greg De Temmerman, verantwoordelijk vanuit Iter, zegt: "Op basis van de modellen verwachtten we enige herkristallisatie van wolfraam en die hebben we ook waargenomen. Geen verrassing dus."

Geen cracking, wel fuzz

Er is geen bewijs van cracking, ofwel scheuren in het materiaal. Wel zagen de onderzoekers dat het blok zwart wordt door vorming van een nanostructuur bij blootstelling aan helium. Dat was onverwacht, want deze fuzz zou volgens de modellen pas bij hogere temperatuur ontstaan. De Temmerman maakt zich hierover geen zorgen. "Fuzz heeft ook voordelen, het is poreus en reduceert erosie. Ik verwacht geen problemen, maar we onderzoeken dit verder."

Na Corona verder testen

De resultaten gebruikt De Temmerman om de modellen te verbeteren. Zodra de labs en faciliteiten weer openen na de corona-epidemie, staan de vervolgexperimenten op de planning. De eerste experimenten met zogeheten laser-geïnduceerde transients, een soort zonnevlammen van hoge energie, zijn al eerder gedaan. Daarna worden pieken in temperatuur (heat flux) toegevoegd en vervolgens de blootstelling aan andere elementen zoals stikstof of neon, die ook in Iter zullen voorkomen.

De 15 meter lange opstelling Magnum-PSI bij onderzoeksinstituut Differ in Eindhoven. Dit is de enige laboratoriumstelling ter wereld die materialen kan testen onder de extreme omstandigheden in toekomstige fusiereactoren zoals ITER en zijn opvolgers.