Koper smelt geleidelijk, niet plotseling: verrassing voor kernfusie-onderzoek

Onderzoekers van het Amerikaanse SLAC National Accelerator Laboratory, samen met Europese universiteiten, filmden voor het eerst in detail hoe koper zich gedraagt bij extreme, razendsnelle verhitting. Hun conclusie wijkt af van wat computersimulaties al decennia voorspellen: koper blijft langer een geordende kristalstructuur houden dan gedacht, en smelt daarna geleidelijk in plaats van in één klap.

Een filmpje van het smeltproces

Normaal testen wetenschappers hittebestendigheid met de zogeheten 'cook and look'-methode: een monster wordt verhit en pas na afkoeling onderzocht. Dat levert alleen een afgekoelde metalen klont op, zonder zicht op wat er tussentijds gebeurde. Om dat probleem op te lossen gebruikte het team het MeV-UED-instrument van SLAC, een soort elektronencamera die atomaire bewegingen kan vastleggen tot op de femtoseconde nauwkeurig, oftewel een miljardste van een miljoenste seconde. De onderzoekers verhitten een dun kopervlies met een laser en stuurden tegelijk een elektronenbundel door het monster om te zien wat er écht gebeurde tijdens het smelten.

Voorbij de oververhittingslimiet

Bestaande modellen voorspelden dat koper aan de randen zou beginnen te smelten bij ongeveer 1.085 graden Celsius, terwijl de kern van het materiaal langer intact zou blijven vanwege hogere druk. Bij zo'n 1.424 graden Celsius, ruim boven het normale smeltpunt, zou die kern volgens de modellen plotseling instorten. Dit omslagpunt staat bekend als de oververhittingslimiet. In werkelijkheid bleek koper zijn kristalstructuur ook ver voorbij die grens te behouden en gewoon geleidelijk verder te smelten. De beelden toonden bovendien 'voorsmelten': lichte wanorde langs microscopisch kleine korrelgrenzen, al voordat het gewone smeltpunt werd bereikt.

Betere modellen voor fusie-energie

De verklaring voor het verschil zit in een verkeerde aanname in de oude berekeningen. Die gingen uit van statische druk, alsof de atomen aan alle kanten stevig werden vastgeklemd. In de praktijk was de druk dynamisch, waardoor kopers atomen konden schuiven en zich herschikken. Zodra de onderzoekers die dynamische omstandigheden in hun berekeningen verwerkten, kwamen de simulaties wél overeen met de metingen. Volgens Siegfried Glenzer, directeur van SLAC's afdeling hoge-energiedichtheidswetenschap, is dit een grote stap voorwaarts voor de voorspellende kracht van dit soort modellen. De uitkomst is direct relevant voor kernfusie: hoewel het plasma in een fusiereactor honderden miljoenen graden heet wordt, moeten de omringende reactormaterialen plotselinge hittepieken doorstaan, vergelijkbaar met een ruimtecapsule die de dampkring induikt. Met nauwkeurigere modellen kunnen ingenieurs beter voorspellen welke materialen dat aankunnen. Het team wil vervolgens kopercombinaties met andere metalen bestuderen, om te zien hoe goed die hittepieken kunnen opvangen in toekomstige fusiecentrales.