Wolfraam in fusiereactoren houdt minder tritium vast bij hogere temperaturen
Door neutronenschade kan het wandmateriaal wolfraam van toekomstige fusiereactoren als ITER de kostbare fusiebrandstof tritium opslorpen. Promovenda Rianne 't Hoen van FOM-instituut DIFFER ontdekte dat deze extra tritiumopname met 50 tot 80 procent afneemt bij hogere wandtemperaturen. Dat komt waarschijnlijk door zelfreparatie van het wolfraam en een hogere mobiliteit van zowel wolfraam- als tritiumatomen. De onderzoekster publiceerde haar resultaten in het vakblad Nuclear Fusion.
Tritium vult gaten in wolfraam
Het metaal wolfraam is het belangrijkste kandidaat-materiaal voor de uitlaat van ITER, de internationale fusiereactor in aanbouw in Zuid-Frankrijk. ITER gaat in 2019 in bedrijf en is ontworpen om als eerste fusie-experiment ter wereld meer vermogen uit fusie op te wekken dan de reactor zelf verbruikt. In het hart van ITER smelten de waterstofisotopen deuterium en tritium op hoge temperatuur samen tot helium en een neutron, waarbij veel energie vrijkomt. Het reactieproduct helium wordt afgevoerd via de uitlaat, de enige plaats waar het hete plasma direct in contact komt met de reactorwand.
Wolfraam heeft goede thermische eigenschappen en slijt langzaam. Een open vraag is echter hoe die eigenschappen veranderen onder het bombardement van neutronen uit de fusiereactie. Zo kunnen de neutronen gaten slaan in het atoomrooster van wolfraam. De fusiebrandstoffen deuterium en tritium, beide zware isotopen van waterstof, zijn klein genoeg om zich in die gaten te nestelen. Vanwege efficiëntie en veiligheid mag er op elk moment maar 700g tritium in de hele reactor aanwezig zijn, inclusief in de reactorwand. Voor het succes van ITER is het dus belangrijk die wandopname zo laag mogelijk te houden.
Schade nabootsen
In haar promotieonderzoek brengt Rianne 't Hoen in kaart welke processen de tritiumopname in wolfraam beïnvloeden. Daarvoor gebruikt ze de intense plasma's in DIFFER's onderzoeksopstelling Pilot-PSI. Als een van de weinige ter wereld kan Pilot-PSI plasma's opwekken met de verwachte temperatuur en dichtheid van de uitlaat van ITER. Om de inslag van neutronen op het wolfraam na te bootsen, bestookte de onderzoekster de trefplaten met een bundel wolfraamionen. Hierna bracht ze met verschillende meettechnieken en een rekenmodel in kaart hoe de defecten in wolfraam reageren op het aanwezige plasma, en wat voor effect dat heeft op de hoeveelheid vastgehouden tritium.
Zelfgenezing
't Hoen stelde wolfraam bloot aan deuteriumplasma en hield het wolfraam daarbij op verschillende temperaturen. Uit eerder onderzoek was al bekend dat de wandtemperatuur van onbeschadigd wolfraam invloed heeft op de tritiumopname. 't Hoen toonde aan dat ook de dichtheid van tritium in beschadigd wolfraam omlaag gebracht wordt bij hogere temperaturen. In vergelijking met eerdere experimenten onder de 225 ºC. (de temperatuur waarboven defecten in wolfraam van plaats veranderen en samen kunnen smelten) nam wolfraam tussen 525 en 925 ºC. tussen de 50 en 80% minder waterstof op. De exacte reden is nog niet bekend, maar de processen die meespelen wel: "Hoe hoger de wandtemperatuur, hoe meer de wolfraamatomen in het metaal bewegen, zodat schade aan het atoomrooster hersteld wordt", denkt 't Hoen. Daardoor wordt waterstof uit de gaten geduwd. "De waterstofisotopen zelf zijn ook mobieler bij een hogere temperatuur. Daardoor gaat er wel meer tritium de wand in en uit, maar daarvan blijven minder atomen vastzitten in een gat."
Dance your PhD
In oktober 2012 deed Rianne 't Hoen met haar onderzoek mee aan de internationale wedstrijd Dance your PhD. Jonge onderzoekers presenteren hun promotieonderwerp daar in de vorm van een dansuitvoering. 't Hoen won de publieksprijs met haar uitvoering The Great Escape over opname van tritium in wolfraam.
Referentie
M.H.J. 't Hoen, M. Mayer, A.W. Kleyn, H. Schut en P.A. Zeijlmans van Emmichoven, Reduced deuterium retention in self-damaged tungsten exposed to high-flux plasmas at high surface temperatures, Nuclear Fusion (2013).