Kernfusie in een reactor van diamant
Diamant lijkt zeer geschikt als materiaal voor de wand van toekomstige kernfusie-energiecentrales. Dat denkt natuurkundige Greg De Temmerman van FOM-instituut DIFFER. De wand van een fusiereactor krijgt enorme hitte te verwerken en staat bloot aan agressieve erosieprocessen. Samen met internationale collega's legde De Temmerman verschillende materialen op de pijnbank. Diamant blijkt beter te presteren dan andere vormen van koolstof en zelfs beter dan het extreem hittebestendige metaal wolfraam. Het wetenschappelijke vakblad Nuclear Fusion noemt het resultaat een van de onderzoekhighlights uit 2011.
Hitteschok met elektronenkanon
Kan diamant in combinatie met een beetje boor tegen de intense plasma's in ITER? Het team van De Temmerman ging dat na met het elektronenkanon JUDITH van het Duitse Forschungszentrum Jülich. Het experiment kan 5 milliseconde lange energiepulsen van 2,5 gigawatt per vierkante meter opwekken, vergelijkbaar met de meest intense plasmaontladingen in een fusiereactor. Na blootstelling aan een serie pulsen werd het beoogde wandmateriaal onderzocht met een scanning elektron microscope. "In het allerbeste geval had het diamant zelfs na honderd hittepulsen helemaal geen schade of oppervlakte-erosie opgelopen", zegt De Temmerman, "en dat bij een hittestroom die drie keer hoger is dan het smeltpunt van wolfraam! Andere vormen van koolstof, grafiet en CFC, waren juist flink weggesleten."
Met zijn resultaten hoopt De Temmerman de interesse in diamant als fusie-wandmateriaal weer aan te wakkeren. Dat gaat niet makkelijk. "Ik heb keihard moeten werken om dit project erdoor te krijgen - de fusiegemeenschap was er vrij zeker van dat diamant een gepasseerd station is. Daarom is het heel mooi dat Nuclear Fusion onze onderzoeksresultaten heeft uitgeroepen tot een van de highlights van 2011." De materiaalkeuze voor de eerste editie van ITER-uitlaat (divertor), het onderdeel dat het 't zwaarst te verduren krijgt, is al gemaakt: wolfraam. Halverwege de levensduur van ITER is een upgrade voorzien, en het materiaal voor die vernieuwde divertor staat allerminst vast.
Achtergrond - extreme materiaalbelasting in fusiereactoren
Kernfusie-onderzoekers willen de energiebron van de zon op aarde nabouwen als duurzame, schone en veilige energievoorziening. Het internationale ITER-project werkt aan een fusiereactor die tien keer meer energie – in de vorm van plasma - produceert dan de machine zelf verbruikt. Het eerste plasma is gepland voor 2020. ITER's voorgangers gebruikten vaak grafiet of vezel-versterkt koolstof (CFC) om de reactorwand mee te bedekken. ITER maakt een andere keuze en zal de eerste versie van zijn reactorwand met wolfraam betegelen. Dit metaal is beter bestand tegen energie-uitbarstingen (ELMs - Edge Localized Modes) die optreden aan de rand van het fusieplasma. Hoe groter de reactor, hoe hoger de energie van de ELMs waaraan het wandmateriaal van de uitlaat (divertor) blootgesteld wordt – oplopend tot gigawatts in een commerciële energiecentrale.
Voor de redactie
Nuclear Fusion: highlights of 2011
http://iopscience.iop.org/0029-5515/page/Highlights%20of%202011
Thermal shock resistance of thick boron-doped diamond under extreme heat loads
http://iopscience.iop.org/0029-5515/51/5/052001/pdf/0029-5515/51/5/052001.pdf
Contact
Dr. Greg De Temmerman
Plasma Surface Interactions - Experimental, FOM-instituut DIFFER
+31 (0)30 609 69 44.
Gieljan de Vries
Public information, FOM-instituut DIFFER
+31 (0)30 609 69 02.