Vloeibare metaallaag beschermt wand fusiereactor tegen enorme hitte


Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Anouck Vrouwe
Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/archief_persberichten/persberichten2016/artikel.pag?objectnumber=328953
printerversie
4 april 2016, 2016/12

Vloeibare metaallaag beschermt wand fusiereactor tegen enorme hitte

Om rendabele, schone energie te winnen uit kernfusie moeten fusieonderzoekers de wand van hun reactor beschermen tegen het hete plasma (geladen gas) van zo'n kunstmatige zon. Promovendus Stein van Eden en zijn collega's ontdekten dat een dunne deklaag van gesmolten metaal het plasma kan
verdunnen en verstrooien. Daarmee helpen ze een van de grote vragen van kernfusie als energiebron op te lossen: de levensduur van de reactorwand. Het team van onderzoekers bij het Nederlandse instituut voor funderend energieonderzoek DIFFER beschrijft de doorbraak in het natuurkundig vakblad
Physical Review Letters.
Pilot-psi plasma
vergroten Pilot-psi plasma
In het experiment Pilot-PSI bij DIFFER kunnen onderzoekers materialen blootstellen aan vergelijkbare omstandigheden als bij de wand van de fusiereactor ITER - of het oppervlak van de zon.
Liquid tin self regulating heat flux
vergroten Liquid tin self regulating heat flux
Bij blootstelling aan een plasma blijft de reactorwand van vloeibaar tin honderden graden koeler dan in modelberekeningen waarin het effect van vapor shielding niet is meegenomen.
Een van de grootste uitdagingen op weg naar fusie-energie is een materiaal vinden dat bestand is tegen de extreme plasmacondities bij de uitlaat (divertor) van de reactor. In de toekomstige fusiereactor ITER krijgt de divertor een continu hittebombardement te verwerken van tien megawatt per
vierkante meter. "Die omstandigheden zijn vergelijkbaar met het oppervlak van de zon of een raketuitlaat", zegt natuurkundige Stein van Eden. Van Eden en zijn collega's bij energieinstituut DIFFER gingen op zoek naar een alternatief voor de huidige materiaalkeuze in fusiereactoren. In plaats
van een vaste wand van hittebestendig wolfraam gebruiken ze een laag vloeibaar metaal die over de reactorwand loopt. Zo'n metaallaag, redeneert het team, kan zichzelf continu repareren.

Onverwachte zelfbescherming
"In onze faciliteiten Pilot-PSI en Magnum-PSI kunnen we als enigen ter wereld de omstandigheden bij de wand van de fusiereactor nabootsen", vertelt Van Eden. In zijn experimenten in Pilot-PSI liep een laagje vloeibaar tin over een sponsachtige houder van wolfraam. "Toen we de vloeistof
blootstelden aan dezelfde plasmacondities als in fusiereactor, zagen we dat de temperatuur van de metaalvloeistof veel lager was dan wanneer we een vaste wand gebruiken. De vloeibare wand kan zichzelf koel houden."

De vraag: waar ging die energie naartoe? Van Eden: "Boven onze vloeibare reactorwand ontstaat vanzelf een gaswolkje van tin. Die gaswolk blijkt de energie op te vangen en straalt die dan naar alle kanten uit. Door zulke vapor shielding koelt het plasma af en wordt de hitte over een veel groter
oppervlak verdeeld dan wanneer het plasma direct op de wand zou komen. Hoe meer hitte, hoe meer verdamping en daarna koeling door de gaslaag.'

Onderzoeksleider Thomas Morgan van DIFFER: "In een experiment als ITER betekent een beschadigde wand verlies van meettijd. In de blauwdruk-energiecentrale DEMO die gepland is na ITER kunnen we ons zo'n maandenlange reparatie helemaal niet veroorloven. Het concept van de zelfreparerende,
zelfbeschermende reactorwand van vloeibaar metaal is daarom enorm aantrekkelijk."

De route naar fusie-energie: ITER en DEMO
De internationale fusiereactor ITER moet de technische haalbaarheid van fusie-energie aantonen. ITER begint zijn experimenten rond 2025 en is ontworpen om als eerste fusie-experiment meer vermogen op te wekken uit kernfusie (500 megawatt) dan nodig is om de reactie te stabiliseren (50
megawatt). De fusiereactie bestookt de ITER-wand met een bombardement van hitte en snelle deeltjes van tien megawatt per vierkante meter. Dat is op het randje van wat moderne materialen aankunnen. Na succesvolle experimenten in ITER begint in de jaren dertig en veertig het werk aan de
blauwdruk-fusieenergiecentrale DEMO. Deze reactor moet 1500 tot 2000 megawatt aan vermogen aan het elektriciteitsnet leveren.

Europese samenwerking in Horizon2020
Het vinden van het juiste wandmaterialen is een van de hoofdvragen binnen het Europese Horizon2020-programma EUROfusion. Dat programma draagt bij aan de ontwikkeling van de fusiereactor ITER en ontwikkelt het ontwerp van de daaropvolgende demonstratie-energiecentrale DEMO. DIFFER is de
Nederlandse partner van EUROfusion en helpt onderzoeksinstellingen en bedrijven aan te haken bij dit onderzoeksprogramma.

Contact
Stein van Eden, promovendus Plasma Surface Interactions, DIFFER, (040) 333 48 95
Thomas Morgan, onderzoeksleider Plasma Surface Interactions, DIFFER, (040) 333 48 24
Gieljan de Vries, afdeling communicatie DIFFER, (040) 333 49 02

Publicatie
Self-Regulated Plasma Heat Flux Mitigation Due to Liquid Sn Vapor Shielding, G. G. van Eden, T. W. Morgan, D. U. B. Aussems, M. A. van den Berg, K. Bystrov, and M. C. M. van de Sanden, Phys. Rev. Lett. 116, 135002 - Published 1 April 2016

Video van het experiment
youtu.be/vAm2Lhdmcug - zijaanzicht (de plasmabundel komt van links)
youtu.be/wKOzCGze5C8 - bovenaanzicht
Vloeibaar tin in de hete plasmabundel van DIFFER's experiment Pilot-PSI. De temperatuur van het oppervlak beweegt op en neer tussen 1500 en 2100 graden Celsius. Dat komt door zelf-regulering: hoe meer hitte er uit het plasma op het vloeibare tin komt, hoe meer er verdampt. Die damplaag schermt
het oppervlak vervolgens af van het plasma zodat het vloeibare metaal weer afkoelt.