Een wand van vloeibaar metaal lijkt een mogelijke oplossing voor het beschermen van de binnenwand van toekomstige kernfusiereactoren. Een dampwolkje dat voor de vloeibare laag blijft hangen, vangt veel van de hitte af, zo blijkt uit nieuw werk van onderzoekers van het Nederlandse instituut DIFFER.

In een kernfusiereactor gaat het er met een plasma van 150 miljoen ºC heet aan toe. Daarom houden sterke magneetvelden het plasma zo ver mogelijk bij de wand vandaan. Op één plek na: bij de uitlaat van de fusiereactor, oftewel de divertor (zie afbeeldingen). Daar maakt het plasma wel contact met de wand, waardoor die bestand moet zijn tegen een ongekend bombardement van snelle, geladen deeltjes (1024/m2s) en een enorme hoeveelheid warmte: tot 10 MW/m2.


 

Van linksaf, met de klok mee: de ITER-kernfusiereactor met onderin de divertor (rood), de divertor los afgebeeld en een segment van de divertor met in zwart de laag wolfraam die ITER straks krijgt. In DEMO, de opvolger van ITER, is een nog betere beschermlaag nodig dan dit wolfraam. (Illustraties: ITER)


Bij de testreactor ITER, die nu in Frankrijk wordt gebouwd, wordt die divertor gemaakt van wolfraam, een oersterk metaal met een hoog smeltpunt. In de opvolger van ITER, DEMO, die daadwerkelijk stroom zal produceren, is de hittebelasting echter nog veel groter en volstaat zelfs wolfraam niet. Regelmatige vervanging van de divertor is dan een optie, maar dat is niet gewenst; daarvoor zou de reactor steeds moeten worden stilgelegd. Vandaar de zoektocht naar een nieuw wondermateriaal.
 

Exotische optie

Bij energieonderzoeksinstituut DIFFER in Eindhoven werkt Stein van Eden MSc aan misschien wel de meest exotische van alle opties: een vloeibare wand. Die bestaat uit een gaas van wolfraam dat is ingebed in een plaat van molybdeen (zie tekening). Tussen het gaas zit vloeibaar tin (lithium kan een alternatief zijn).

‘Het gaas is nodig om de vloeistof op zijn plek te houden', legt Van Eden uit. 'Dankzij de capillaire krachten zou je het plaatje zelfs op zijn kop kunnen houden en dan nog stroomt het vloeibare tin er niet uit.'

Bij dit bijzondere concept van een vloeibare wand heb je geen last van schade aan het metaalrooster, want dat is er niet; bij schade herstelt de vloeistof zichzelf meteen. Bovendien heb je bij een vloeistof verschillende processen die tezamen veel warmte afvoeren.

 

Dampwolkje

Een belangrijk proces komt naar voren uit recent onderzoek aan de vloeibare wand, gepubliceerd in het vakblad Nature Communications. Vlak voor de vloeistof ontstaat een dampwolkje (wit in de foto bovenaan dit bericht). Dit absorbeert hitte en deeltjes uit het plasma en zorgt zo voor stabiliteit in de temperatuur van de vloeibare beschermlaag.

Dat werkt zo: als de temperatuur van de vloeistof een beetje begint te stijgen, verdampt er meer en krijgt het dampwolkje een grotere dichtheid. Daardoor vangt het meer hitte en deeltjes uit het plasma op, waardoor de oppervlaktetemperatuur weer wat terugloopt; een zelfregulerend mechanisme.
 

Vilt

Dit werk laat zien dat de vloeibare wand potentie heeft als hightech oplossing voor in de DEMO-fusiereactor. Maar er zijn nog heel veel knoppen om aan te draaien. Zo is de vorm van het bakje met het gaas nog niet optimaal. ‘Collega’s van me in Rusland zijn er al in geslaagd om uit het metaal een soort vilt te maken, dat misschien een betere structuur is om het tin in vast te houden', zegt Van Eden. 'Hier gaan we experimenteren met hoge pilaren met smalle, verticale kanaaltjes ertussen waar de vloeistof door sijpelt.’

 


Foto's en illustratie: Stein van Eden/DIFFER