Een belangrijk onderdeel van de toekomstige fusiereactor ITER is bestand tegen minstens een jaar in vol bedrijf. Dat stelden onderzoekers van DIFFER en ITER vast door stukken van de reactorwand bloot te stellen aan een intens plasmabombardement in Magnum-PSI, de enige faciliteit ter wereld die daartoe in staat is.
Het resultaat van de serie unieke experimenten is even positief als saai. Onderzoekers van DIFFER stelden een blok wolfraam langdurig bloot aan de condities die in de ITER fusiereactor zullen heersen; vergelijkbaar met de extreme hitte en aanstormende deeltjes aan het oppervlak van de zon. Het team zagen vrijwel geen onverwachte effecten.
DIFFER onderzoeksleider Tom Morgan is er blij mee: “Er waren gelukkig geen onaangename verrassingen.” Ook Greg De Temmerman, vanuit ITER betrokken bij het onderzoek, is tevreden over het verloop van de experimenten: “De lange blootstelling aan zoveel plasma is op zichzelf al een prestatie. Dat de experimenten in Magnum-PSI zo soepel verliepen heeft mij aangenaam verrast.”
Goed nieuws
De onderzoekers deden een serie experimenten waarbij de condities steeds ruiger werden. Ze testten daarbij een mock-up van de divertor, de wolfraam uitlaat van ITER. In het ultieme experiment kreeg het blok 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.
Goed nieuws is bijvoorbeeld 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. Morgan: “Je wilt geen tritium kwijtraken doordat het in wolfraam gevangen raakt.”
Geen grote verrassingen
Een ander belangrijk aspect is herkristallisatie, waardoor het materiaal minder sterk wordt. De Temmerman zegt: “Op basis van de modellen verwachtten we enige herkristallisatie van wolfraam en die hebben we ook waargenomen. Geen verrassing dus.” Ook is er 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 geen zorgen: “Fuzz heeft ook voordelen, het is poreus en reduceert erosie. Ik verwacht geen problemen, maar we onderzoeken dit verder.”
Modellen verbeteren
De resultaten gebruikt De Temmerman bij ITER om de modellen te verbeteren. “Het is een iteratief proces: je test de modellen met experimenten en met de uitkomsten verbeter je de modellen. Hoewel de modellen voor andere fusiereactoren zoals DEMO anders zijn, zijn deze resultaten en de kennis die we ontwikkelen ook voor hen interessant.”
Zodra de labs en faciliteiten weer openen voor onderzoekers 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. “Dit is een lopend experiment, we blijven leren,” aldus De Temmerman.
