Doorbraak: vervuilde wanden van fusiereactor schoongemaakt zónder ze open te vouwen

Fusiereactoren moeten extreem hoge temperaturen doorstaan. Een veelbelovende oplossing is het gebruik van vloeibaar lithium, dat als een soort spons wordt vastgehouden in wanden van het extreem sterke metaal wolfraam. Om die wolfraamtegels poreus genoeg te maken, gebruiken fabrikanten een geavanceerd productieproces. Het probleem: dat proces laat sporen van koolstof, zuurstof en stikstof achter in het materiaal. Zodra die verontreinigingen in contact komen met vloeibaar lithium, vormen ze vaste stoffen die de poriën verstoppen. Daardoor kan het lithium niet meer goed stromen en verliest de wand zijn beschermende werking.

Zelfs als de tegels aan het eind van het productieproces schoongemaakt worden, raken ze alsnog vervuild zodra ze tijdens de bouw aan lucht worden blootgesteld. Dat maakte schone wolfraamtegels tot nu toe lastig te realiseren in een werkende reactor.

Schoonmaken met neonplasma en hitte

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), Princeton University en Pennsylvania State University ontdekten een manier om de tegels te reinigen nadat ze al zijn ingebouwd in een fusiesysteem en zijn afgesloten in een vacuümkamer, zonder dat er lucht bij komt. Ze testten sterk vervuilde wolfraammonsters in PPPL's experimentele opstelling, de Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β). Dit systeem is speciaal ontworpen om te onderzoeken hoe vloeibaar lithium het plasma en de omringende materialen beïnvloedt.

De monsters werden blootgesteld aan een neon glow discharge, een laagenergetisch plasmaproces waarbij geladen deeltjes de vervuiling losslaan, en vervolgens verhit tot ongeveer 800 graden Celsius. Die combinatie van hitte en plasma bleek veel effectiever dan plasma alleen. Onderzoeksleider Camila López Pérez zag het resultaat letterlijk terug in de kleur van het monster: het veranderde van dof donkergrijs naar metallic zilver. Ze vermoedde eerst een meetfout, maar analyse bevestigde dat het materiaal daadwerkelijk schoon was geworden. Het aandeel schoon, metallisch wolfraam aan het oppervlak steeg van 0 naar 87 procent, terwijl het koolstofgehalte sterk daalde.

Waarom neon de sleutel is

Reiniging met een glow discharge bestaat al decennia, maar niemand had eerder gedocumenteerd hoe deze techniek werkt op poreuze wolfraamonderdelen die van poeder zijn gemaakt, terwijl die al in een fusiesysteem zitten en zonder blootstelling aan lucht. Het team koos voor neongas in plaats van bijvoorbeeld helium, omdat de zwaardere geladen deeltjes van neon beter in staat zijn om koolstof- en zuurstofverontreinigingen los te slaan.

López Pérez werkte ook aan een verbeterde meetsonde die dikkere monsters aankan en de verhitting nauwkeuriger op het monster zelf richt, in plaats van op de houder eromheen. Dat leverde preciezere metingen op. De methode biedt volgens de onderzoekers een kader om poreuze wolfraamonderdelen schoon te houden binnen een lopend fusiesysteem, zodat materiaalvervuiling geen showstopper meer hoeft te zijn voor het gebruik van vloeibaar lithium. De resultaten zijn gepubliceerd in het vakblad Nuclear Materials and Energy.