Klimaat & energie › Commerciële kernfusie
Wolfraam houdt minder stand in fusiereactor dan gedacht, blijkt uit simulatie
Wolfraam geldt als het meest kansrijke materiaal voor de binnenwand van toekomstige fusiereactoren. Nieuw onderzoek van de Universiteit van Helsinki laat zien dat het metaal bij de extreme energieën in een fusiereactor juist méér schade oploopt dan wetenschappers tot nu toe aannamen.
Fusiereactoren moeten ooit schone energie leveren door lichte atoomkernen bij extreme temperaturen samen te smelten, net als in de zon. Het plasma waarin dat gebeurt is zo heet dat geen enkel materiaal ermee in contact mag komen. Toch krijgen de wanden van de reactor rake klappen: bij de fusiereactie komen hoogenergetische neutronen vrij die atomen uit hun positie kunnen slaan. Zo'n uit de baan geslagen atoom botst vervolgens weer tegen andere atomen aan, met een sneeuwbaleffect van verplaatste atomen tot gevolg. Wetenschappers noemen dit primaire stralingsschade.
Wolfraam staat te boek als het meest kansrijke materiaal om de binnenkant van een tokamak, het populairste type fusiereactor, te bekleden. Het metaal heeft een extreem hoog smeltpunt en is relatief bestand tegen straling. Onderzoekers van de Universiteit van Helsinki, onder leiding van Jesper Byggmästar, wilden precies weten hoeveel schade wolfraam oploopt bij de allerhoogste energieën die in een fusiereactor voorkomen.
Simulaties met een miljard atomen
Het team gebruikte moleculaire dynamica: computersimulaties die het gedrag van individuele atomen naboopsen. Door een op maat gemaakt machine-learning model te laten draaien op grafische chips (gpu's), konden de onderzoekers voor het eerst simulaties uitvoeren met tot wel een miljard atomen tegelijk. Dat is een ongekende schaal in dit vakgebied.
Bestaande modellen gingen ervan uit dat het aantal defecten in een metaal eerst langzamer toeneemt dan de inslagenergie (sublineair) en daarna recht evenredig meegroeit (lineair). Bij wolfraam blijkt dat patroon niet te kloppen. De simulaties laten een extra tussenfase zien: bij toenemende energie groeit het aantal defecten juist sneller dan de energie zelf, oftewel superlineair, voordat het bij de hoogste energieën alsnog overgaat in een lineair verband. In totaal onderscheidt het team dus vier regimes in plaats van twee.
Gevolgen voor toekomstige reactoren
Die extra, superlineaire fase is slecht nieuws voor reactormateriaal op basis van wolfraam: bij de hoge energieën die in een werkende fusiereactor voorkomen, ontstaat dus meer schade dan de oude modellen voorspelden. Dat kan betekenen dat wanden en andere onderdelen sneller verslijten dan gedacht.
De resultaten, gepubliceerd in Physical Review Letters, geven onderzoekers een nauwkeuriger rekenmodel om de levensduur van reactoronderdelen te voorspellen. Byggmästar en zijn team werken inmiddels aan simulaties die nog groter en preciezer zijn, en die ook rekening houden met de microstructuur van materialen, zoals korrelgrootte en de aanwezigheid van legeringselementen.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze ontdekking dwingt materiaalonderzoekers om hun voorspellingen over de levensduur van fusiereactoronderdelen bij te stellen. Wolfraam blijft de meest voor de hand liggende keuze voor reactorwanden, maar ingenieurs moeten mogelijk vaker onderhoud plannen of naar verbeterde legeringen zoeken. De nieuwe rekenmethode met miljarden atomen kan ook voor andere materialen worden ingezet, wat de ontwikkeling van duurzamere fusiereactoren kan versnellen.
- Wolfraam
- Een metaal met het hoogste smeltpunt van alle metalen, waardoor het wordt gezien als ideaal materiaal voor de wand van fusiereactoren.
- Stralingsschade
- Beschadiging van een materiaal doordat deeltjes zoals neutronen atomen uit hun normale positie stoten.
- Botsingscascade
- De kettingreactie van botsingen die ontstaat nadat één atoom door een neutron is weggeslagen en op zijn beurt andere atomen raakt.
- Moleculaire dynamica
- Een computertechniek waarmee wetenschappers berekenen hoe atomen zich in de tijd bewegen en met elkaar botsen.
- Tokamak
- Het meest gebruikte ontwerp voor een fusiereactor, waarin een magnetisch veld het hete plasma in een ringvorm vasthoudt.
- GPU
- Een grafische processor die van oorsprong voor beeldbewerking werd gebruikt, maar tegenwoordig ook razendsnelle wetenschappelijke berekeningen mogelijk maakt.
- Recoil-energie
- De energie die een atoom meekrijgt op het moment dat het door een neutron wordt weggeslagen.
- Machine-learning model
- Een computermodel dat op basis van voorbeelddata leert om het gedrag van atomen nauwkeurig te voorspellen, zonder alle natuurkundige berekeningen apart te hoeven uitvoeren.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
