Wolfraamtegel: het materiaal dat de hitte van een fusiereactor moet doorstaan
Een wolfraamtegel is een klein, extreem hittebestendig blokje metaal dat wordt gebruikt om de binnenkant van een kernfusiereactor te bekleden op de plek waar de meeste hitte terechtkomt. Wolfraam is een metaal met het hoogste smeltpunt van alle metalen: pas bij ruim 3400 graden Celsius wordt het vloeibaar, meer dan het dubbele van de smelttemperatuur van staal. Die eigenschap maakt het tot het enige serieuze kandidaat-materiaal voor de plekken in een fusiereactor die continu gebombardeerd worden door superheet plasma.
Een vergelijking maakt het tastbaarder: de hitteflux die op zo'n tegel afkomt, is te vergelijken met wat een raketmotor tijdens de lancering doorstaat, maar dan niet enkele minuten, uren gemiddeld, en dat keer op keer, jarenlang. Waar een ruimtevaartuig bij terugkeer in de atmosfeer eenmalig een hitteschild gebruikt dat daarna wordt vervangen, moet een wolfraamtegel in een fusiereactor die belasting talloze keren aan, zonder te smelten, te barsten of te veel materiaal te verliezen aan het plasma waarmee het in contact staat.
Wat is het precies?
Om te begrijpen waarom deze tegels nodig zijn, moet je weten hoe een fusiereactor van het type tokamak werkt. Een tokamak is een donutvormig vat waarin een gas van waterstofisotopen wordt opgewarmd tot honderden miljoenen graden. Bij die temperatuur wordt het gas plasma: de elektronen zijn losgeslagen van de atoomkernen, waardoor een elektrisch geladen, gloeiend hete massa ontstaat die met sterke magneetvelden in bedwang wordt gehouden, zonder de wand van het vat te raken.
Toch lekt er onvermijdelijk energie en materiaal weg uit die magnetische kooi. Onderin de tokamak zit daarom een speciaal onderdeel, de divertor, dat is ontworpen om deze 'uitlaatgassen' van het plasma gecontroleerd op te vangen: overtollige warmte, heliumas (het bijproduct van de fusiereactie) en verontreinigingen. Op het oppervlak van de divertor kan de warmteflux oplopen tot 10 tot 20 megawatt per vierkante meter, een veelvoud van wat de neus van een terugkerende ruimtecapsule te verduren krijgt.
De tegels zelf zijn meestal geen platte plaatjes, maar zogeheten monoblocks: kleine blokjes massief wolfraam met een gaatje in het midden, geregen als kralen aan een buis van een koperlegering waar continu koelwater doorheen stroomt. Het wolfraam vangt de hitte op, de koperen kern voert die af naar het koelsysteem. Deze combinatie van een extreem hittebestendig oppervlak met actieve, krachtige koeling erachter is wat de tegel in zijn geheel werkbaar maakt; wolfraam alleen, zonder koeling, zou alsnog smelten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel achter dit soort materiaalonderzoek is kernfusie zelf: energie opwekken door lichte atoomkernen te laten samensmelten, zoals in de zon gebeurt, in plaats van zware kernen te splijten zoals bij huidige kerncentrales. Fusie belooft in theorie grote hoeveelheden energie met weinig langlevend radioactief afval en zonder de kans op een meltdown zoals bij kernsplijting. Maar die belofte staat of valt met techniek die de extreme omstandigheden in het reactorvat aankan, en de divertor is daarin al decennialang een van de grootste knelpunten.
Eerdere generaties tokamaks gebruikten vaak koolstof (in de vorm van grafiet of koolstofvezelcomposiet) voor deze onderdelen, omdat koolstof niet smelt maar sublimeert en goed bestand is tegen thermische schokken. Het probleem is dat koolstof het waterstofisotoop tritium vasthoudt, een schaars en radioactief brandstofbestanddeel. Om veiligheids- en brandstofredenen wil men dat vermijden, wat wolfraam als alternatief aantrekkelijk maakte ondanks de eigen nadelen, zoals brosheid en gevoeligheid voor scheurvorming.
Voorbeelden uit de praktijk
Verschillende onderzoeksreactoren wereldwijd zijn gebruikt of omgebouwd om wolfraamcomponenten te testen:
- ASDEX Upgrade (Max Planck Institut für Plasmaphysik, Garching, Duitsland) was rond 2007 de eerste grote tokamak die volledig overstapte op een wand van wolfraam, en leverde daarmee jarenlang praktijkdata over erosie en plasmagedrag met dit materiaal.
- JET (Joint European Torus, Culham, Verenigd Koninkrijk) kreeg in 2011 een zogeheten 'ITER-like wall': een wolfraam divertor gecombineerd met een eerste wand van beryllium, specifiek om de materiaalcombinatie te beproeven die later in ITER zou worden gebruikt. JET, decennialang de grootste operationele tokamak ter wereld, is inmiddels buiten dienst gesteld en wordt ontmanteld.
- WEST (CEA, Cadarache, Frankrijk) is de opvolger van de tokamak Tore Supra en werd specifiek verbouwd om een volledig wolfraam divertor met dezelfde monoblock-technologie als ITER te beproeven; sinds de tweede helft van de jaren 2010 draait deze machine met wolfraam componenten als directe testbank voor ITER-onderdelen.
- EAST (China) en KSTAR (Zuid-Korea) hebben eveneens (deels) wolfraam divertorcomponenten getest, als onderdeel van bredere nationale fusieprogramma's.
- ITER, de internationale fusiereactor in Cadarache, Frankrijk, koos na jarenlange discussie voor een volledig wolfraam divertorontwerp, een beslissing die rond 2013 definitief werd genomen mede op basis van de resultaten van de bovengenoemde machines.
Hoe ver is de techniek?
Wolfraamtegels als materiaaltechnologie zijn geen toekomstmuziek meer: ze draaien al jaren in operationele reactoren en de basisprincipes zijn goed begrepen. Waar het onderzoek zich nu op richt, is de lange-termijnhoudbaarheid onder omstandigheden die nog zwaarder zijn dan wat huidige testreactoren kunnen simuleren, met name de combinatie van hoge warmteflux én intense neutronenstraling zoals die pas ontstaat bij een reactor die daadwerkelijk grote hoeveelheden fusie-energie produceert.
Een aantal problemen is nog niet volledig opgelost. Neutronenbestraling maakt wolfraam op termijn brozer, doordat atomen in het metaal worden omgezet in andere elementen (transmutatie); dat kan scheurvorming bevorderen. Onder blootstelling aan heliumplasma kan bovendien een nanostructuur ontstaan die bekendstaat als 'wolfraam-fuzz', een sponsachtige laag die de warmtegeleiding en mechanische sterkte van het oppervlak aantast. Ook herhaalde thermische schokken, het steeds opnieuw snel opwarmen en afkoelen, kunnen microscheurtjes veroorzaken die zich na verloop van tijd opstapelen.
Voor ITER zelf geldt daarnaast dat het project herhaaldelijk vertraging heeft opgelopen. Na een herziening van de planning eind 2024 wordt gemikt op een eerste plasma in de vroege jaren 2030 en volledige, energieleverende fusie-experimenten met de eigenlijke waterstofisotopenmix pas midden tot eind jaren 2030. Wie exacte jaartallen zoekt, doet er goed aan de actuele planning bij ITER zelf te checken, want deze data zijn in het verleden meermaals opgeschoven.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar wolfraam als plasma-facing materiaal wordt vooral gedragen door de grote publieke fusieprogramma's. In Europa coördineert het consortium EUROfusion veel van dit werk, met belangrijke bijdragen van het Duitse Max Planck Institut für Plasmaphysik (ASDEX Upgrade) en het Franse CEA (Commissariat à l'énergie atomique, verantwoordelijk voor WEST). Het Verenigd Koninkrijk droeg via het UK Atomic Energy Authority bij aan JET.
Daarnaast lopen er nationale programma's in China (EAST, onder het Institute of Plasma Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen), Zuid-Korea (KSTAR, National Fusion Research Institute) en Japan. Al deze landen, samen met de Verenigde Staten, Rusland en India, zijn ook partner in het internationale ITER-project, waar de kennis over wolfraamtegels uiteindelijk samenkomt in het ontwerp van de divertor voor 's werelds grootste experimentele fusiereactor.