2,5 miljoen voor hittebestendige reactorwanden met vloeibaar metaal

In de toekomst kan kernfusie een duurzame en veilige energiebron zijn, maar voor het zover is moeten er nog een aantal obstakels worden overwonnen. In het binnenste van een fusiereactor wordt zeer veel energie opgewekt in de vorm van warmte. Die energie moet uiteindelijk door de wand heen naar buiten.

Wolfraam is een hittebestendig metaal, dat daarom vaak als wandmateriaal dient. Maar zelfs dat materiaal redt het niet, ondanks een smeltpunt van 3422 graden Celsius. Projectleider Thomas Morgan van DIFFER: “Ter vergelijking, de wand vangt zwaardere klappen op dan een ruimteschip dat door de dampkring gaat”

Sponsachtige wand

Wat heb je aan een fusiereactor, als de wand om de haverklap kapot gaat? Daarom werkt het fusieonderzoek sinds een aantal jaren aan een nieuw type hitteschilden voor de wand, hitteschilden van wolfraam met vloeibaar metaal. In een vloeistof kan je immers geen deuk slaan; het kan niet scheuren, breken of barsten.

Vloeibare wandmaterialen worden daarom gezien als de oplossing voor het ‘wandprobleem’. De wand van de reactor zou dan bestaan uit een soort sponsachtige structuur, waar het vloeibare metaal in zit. Peter Rindt, onderzoeker vanTU/e stelt: “We hebben eerder al aangetoond dat hitteschilden van vloeibaar metaal veelbelovend zijn op conceptueel niveau. De volgende stap is dit concept toepassen in een echte reactor.”

DIFFER en de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) werken al een aantal jaren samen aan dit onderzoek, ze lopen hierin voorop. Zij ontwikkelden samen een plan om voor dit onderzoek een laboratorium te bouwen, waarin materialen en ontwerpen kunnen worden ontwikkeld en getest: het LiMeS-Lab. Dit plan wordt nu financieel gesteund door NWO.

Ontwerpen, maken, testen

Het laboratorium heeft twee hoofdonderdelen. Zo wordt er een 3D-printer gebouwd voor het printen van onder meer wolfraam, een veelbelovende productiemethode voor de benodigde sponsachtige-structuren. Dit is een nieuwe technologie. TU/e-onderzoeker Hans van Dommelen : "Het 3D-printen van wolfraam biedt fantastische mogelijkheden, maar is ook uitdagend."

Daarnaast wordt er een grote plasma-opstelling gebouwd, waarin een prototype getest kan worden. Het wordt dan met een plasma beschoten, en ervaart bijna dezelfde condities als in een echte fusiereactor; ondertussen kan er door de wetenschappers worden meegekeken hoe het wanddeel de test doorstaat.

Verdedigingslinie Limes

De 3D-printer komt in het Additive Manufacturing Lab van de TU/e, de plasma-opstelling wordt bij DIFFER gebouwd. De apparatuur kan ook worden ingezet voor andere vakgebieden waarbij hoge temperaturen een rol spelen, zoals bij andere energiebronnen, EUV-plasmalithografie en neutronenbronnen.

Het nieuwe lab wordt LiMeS genoemd, naar Liquid-Metal Shield. De naam is ook een verwijzing naar de Limes, de Romeinse grens en verdedigingslinie die ook door Nederland liep – zoals de wand van vloeibaar metaal een beschermlinie vormt tegen het plasma. De bouw van het nieuwe LiMeS-laboratorium zal naar verwachting tot 2024 duren. Het project versterkt de intensieve samenwerking van de TU/e en DIFFER op het gebied van fusieonderzoek.