Fusiemagneet-materialen getest op straling: opvallend verschil ontdekt

Voor kernfusie zijn extreem sterke magneten nodig om het hete plasma in bedwang te houden. Die magneten bevatten supergeleidende draden, materialen die stroom geleiden zonder weerstand. Maar binnenin een fusiereactor staan die materialen langdurig bloot aan straling. Onderzoekers van de University of Science and Technology Beijing en de Japanse Hokkaido University onderzochten daarom hoe twee veelbelovende kandidaten, Bi-2212 en Nb3Al, zich onder identieke stralingsomstandigheden gedragen.

Dezelfde straling, totaal ander resultaat

De wetenschappers namen dunne plakjes van beide materialen en beschoten die met elektronen van 1.250 kiloelektronvolt, bij kamertemperatuur en met een constante intensiteit. Zulke gecontroleerde omstandigheden zijn belangrijk: onderzoek naar stralingsschade gebruikt vaak verschillende temperaturen, deeltjes of energieniveaus, waardoor resultaten moeilijk te vergelijken zijn. Met een elektronenmicroscoop en elektronendiffractie volgden de onderzoekers hoe de kristalstructuur van beide materialen veranderde.

Bij Bi-2212 gingen na 25 minuten al de eerste zichtbare veranderingen optreden. Na 35 minuten nam de onordelijkheid in het materiaal toe, en na 40 minuten waren de meeste karakteristieke diffractiepatronen verdwenen. Na 50 minuten was de gelaagde structuur van het materiaal volledig verdwenen: Bi-2212 was amorf geworden, wat betekent dat de atomen niet meer in een geordend rooster zitten maar willekeurig verspreid liggen.

Nb3Al blijft overeind

Nb3Al liet een heel ander beeld zien. Zelfs na 90 minuten straling — bijna twee keer zo lang als bij Bi-2212 tot volledige afbraak nodig was — bleef de zogeheten A15-kristalstructuur van het materiaal intact. Er trad geen enkel teken van amorf worden op. Volgens de onderzoekers komt dit verschil waarschijnlijk doordat Bi-2212 een complexere, gelaagde structuur heeft waarin zuurstofatomen relatief makkelijk uit hun plek geslagen kunnen worden.

Dat wil niet zeggen dat Nb3Al de wedstrijd al gewonnen heeft. De test gebeurde met elektronen bij kamertemperatuur, terwijl een fusiereactor werkt met neutronenstraling bij lage temperaturen. Afscherming kan de neutronenblootstelling verminderen, maar niet volledig wegnemen. De onderzoekers willen daarom vervolgtests doen met neutronen of zware ionen, en Nb3Al ook vergelijken met verwante materialen zoals Nb3Sn.

Nog veel vragen open

Een belangrijke vraag is ook of stralingsschade kan herstellen. Verhitten (annealen) kan mogelijk de kristalstructuur herstellen, maar het op hoge temperatuur brengen van grote magneetonderdelen in een werkende reactor is technisch lastig. De onderzoekers benadrukken dat hun experiment vooral een uitgangspunt biedt: door materialen onder identieke omstandigheden te testen, kunnen verschillen die puur aan het materiaal zelf te wijten zijn beter worden geïsoleerd. Het onderzoek is gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift.