Klimaat & energie › Commerciële kernfusie
Amerikanen reinigen wand van fusiereactor met plasma en 800 graden hitte
Onderzoekers van Princeton en Penn State hebben een manier gevonden om de binnenkant van een kernfusiereactor grondig schoon te maken zonder hem open te maken. Met een combinatie van neonplasma en een temperatuur van 800 graden Celsius werd een vervuild wolfraamoppervlak weer voor 87 procent zuiver metaal.
Binnenin een kernfusiereactor moet materiaal bestand zijn tegen temperaturen die heter zijn dan de kern van de zon. Gewoon metaal houdt dat niet vol. Daarom gebruiken ingenieurs speciale wolfraamtegels: poreuze platen die werken als een soort metalen spons. Ze zuigen vloeibaar lithium op en verspreiden dat over het oppervlak, waardoor een beschermende laag ontstaat die de rest van de reactor afschermt tegen extreme hitte.
Het probleem is dat dit proces de wolfraamtegels vervuilt met koolstof, zuurstof en stikstof. Die stoffen reageren met het lithium tot vaste deeltjes die de poriën in het wolfraam verstoppen. Daardoor kan het lithium niet meer goed doorstromen en verliest de beschermlaag haar werking. Vooraf schoonmaken helpt niet: zodra het gereinigde metaal tijdens de bouw in aanraking komt met gewone lucht, neemt het meteen weer zuurstof en koolstofdioxide op.
Schoonmaken zonder de reactor open te maken
Een team van het Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University en Pennsylvania State University loste dit op door de tegels pas te reinigen nadat ze al in de reactor waren geplaatst en verzegeld. Ze testten de methode in de Lithium Tokamak Experiment-Beta, een testreactor die bekendstaat als LTX-β. Eerst pompten ze alle lucht uit de kamer om een vacuüm te creëren. Vervolgens vulden ze de ruimte met koel neonplasma en verhitten ze de tegels tot 800 graden Celsius, oftewel 1472 graden Fahrenheit.
Neon is bewust gekozen omdat de zware ionen van dit gas als kleine bowlingballen op het reactormateriaal inslaan en zo gebonden koolstof- en zuurstofatomen lososlaan. Tegelijkertijd zorgt de hitte ervoor dat vervuiling die dieper in het materiaal zit, naar het oppervlak beweegt, waar het plasma het vervolgens wegblaast. Volgens de onderzoekers werkt deze combinatie van hitte en plasma aanzienlijk beter dan plasma alleen.
Van dof grijs naar glanzend zilver
Het resultaat was met het blote oog zichtbaar. Voor de behandeling was het wolfraamoppervlak door de vervuiling voor nul procent zuiver metaal. Na blootstelling aan het neonplasma en de hitte steeg dat naar 87 procent. De tegels veranderden van dof donkergrijs naar glanzend metaalzilver.
Onderzoeksleider Camila López Pérez zegt dat ze aanvankelijk vreesde dat er juist materiaal op de tegels werd afgezet, wat een slecht teken zou zijn geweest. Analyses wezen echter uit dat het tegenovergestelde gebeurde: het oppervlak werd effectief gereinigd. Speciale diagnostische sondes bevestigden bovendien dat ook de inwendige kanaaltjes in het metaal weer vrij waren.
Omdat de hele reiniging plaatsvindt binnen de vacuümkamer, kunnen reactoroperators voortaan wanden met vloeibaar metaal voorbereiden zonder ze aan lucht bloot te stellen. Dat houdt de doorstroompaden voor het lithium open tijdens bedrijf, een stap die relevant is voor de ontwikkeling van commerciële kernfusie op langere termijn.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze reinigingsmethode lost een praktisch probleem op dat de bouw van fusiereactoren met vloeibare metalen wanden tot nu toe bemoeilijkte. Doordat de wand vervuiling kwijtraakt zonder dat de reactor geopend hoeft te worden, komt onderhoud van toekomstige commerciële fusiecentrales een stap dichterbij.
- Tokamak
- Een ringvormige fusiereactor die met magnetische velden een hete plasmawolk in bedwang houdt; de LTX-β uit dit onderzoek is een testversie van dit type.
- Plasma
- Een extreem hete, elektrisch geladen gasvorm waarin atomen uiteenvallen in ionen en elektronen; wordt hier gebruikt om vervuiling van metaal te verwijderen.
- Wolfraam
- Een metaal met een extreem hoog smeltpunt, waardoor het geschikt is als bekleding voor de binnenkant van een fusiereactor.
- Lithium
- Een licht metaal dat in vloeibare vorm gebruikt wordt als beschermende laag tegen de hitte in een fusiereactor.
- Vacuümkamer
- Een afgesloten ruimte waaruit vrijwel alle lucht is verwijderd, zodat materialen niet reageren met zuurstof of andere gassen.
- Diffusie
- Het proces waarbij deeltjes zich geleidelijk verplaatsen van een plek met hoge naar een plek met lage concentratie, hier gebruikt om vervuiling vanuit het binnenste van het metaal naar het oppervlak te laten bewegen.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
