DIFFER
DIFFER NEWS

LiMeS-lab: testen van reactorwanden van vloeibaar metaal

Published on May 21, 2021

In een fusiereactor heersen extreme omstandigheden; de wand van het reactorvat moet tegen extreme hitte bestand zijn. Veel wandmaterialen zijn al getest en te licht bevonden. Een wand van/met vloeibare metalen lijkt nu de oplossing. DIFFER en de Technische Universiteit Eindhoven krijgen een NWO Groot-beurs van 2,5 miljoen euro om een laboratorium te bouwen waar die nieuwe technologie kan worden onderzocht: het LiMeS-lab.

In de toekomst kan kernfusie een duurzame en veilige energiebron zijn, maar voor het zover is moeten er nog een aantal obstakels worden overwonnen. In het binnenste van een fusiereactor wordt zeer veel energie opgewekt in de vorm van warmte. Die energie moet uiteindelijk door de wand heen naar buiten. Wolfraam is een hittebestendig metaal, dat als wandmateriaal dient. Maar zelfs dat materiaal redt het niet, ondanks een smeltpunt van 3422 graden Celsius. Projectleider Thomas Morgan (DIFFER): “Ter vergelijking, de wand vangt zwaardere klappen op dan een ruimteschip dat door de dampkring gaat”

Sponsachtige structuur
van wolfraam om vloeibaar
metaal vast te houden.

Sponsachtige wand
Wat heb je aan een fusiereactor, als de wand om de haverklap kapot gaat? Daarom werkt het fusieonderzoek sinds een aantal jaren aan een nieuw type hitteschilden voor de wand, hitteschilden van wolfraam met vloeibaar metaal. In een vloeistof kan je immers geen deuk slaan; het kan niet scheuren, breken of barsten. Vloeibare wandmaterialen worden daarom gezien als de oplossing voor het ‘wandprobleem’. De wand van de reactor zou dan bestaan uit een soort sponsachtige structuur, waar het vloeibare metaal in zit. Peter Rindt (TU/e) stelt: “We hebben al aangetoond dat hitteschilden van vloeibaar metaal veelbelovend zijn op conceptueel niveau. De volgende stap is dit concept toepassen in een echte reactor.”

DIFFER en de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) werken al een aantal jaren samen aan dit onderzoek, ze lopen hierin voorop. Zij ontwikkelden samen een plan om voor dit onderzoek een laboratorium te bouwen, waarin materialen en ontwerpen kunnen worden ontwikkeld en getest: het LiMeS-Lab. Dit plan wordt nu financieel gesteund door NWO.

Ontwerpen, maken, testen

Het laboratorium heeft twee hoofdonderdelen. Zo wordt er een 3D-printer gebouwd voor het printen van onder meer wolfraam, een veelbelovende productiemethode voor de benodigde spons-structuren. Dit is een nieuwe technologie. Hans van Dommelen (TU/e): "Het 3D-printen van wolfraam biedt fantastische mogelijkheden, maar is ook uitdagend."

Daarnaast wordt er een grote plasma-opstelling gebouwd, waarin een prototype getest kan worden. Het wordt dan met een plasma beschoten, en ervaart bijna dezelfde condities als in een echte fusiereactor; ondertussen kan er door de wetenschappers worden meegekeken hoe het wanddeel de test doorstaat.

De 3D-printer zal in het Additive Manufacturing Lab van de TU/e komen, de plasma-opstelling wordt bij DIFFER gebouwd. De apparatuur kan ook worden ingezet voor andere vakgebieden waarbij hoge temperaturen een rol spelen, zoals bij andere energiebronnen, EUV-plasmalithografie en neutronenbronnen.

Schets van de LiMeS-plasmaopstelling. Credit: TU/e, Peter Rindt

Verdegingslinie Limes
Het nieuwe lab zal LiMeS heten, wat staat voor Liquid-Metal Shield technology for fusion reactors. De naam is ook een verwijzing naar de Limes, de Romeinse grens en verdedigingslinie die ook door Nederland liep – zoals de wand van vloeibaar metaal een beschermlinie vormt tegen het plasma. De bouw van het nieuwe LiMeS-laboratorium zal naar verwachting tot 2024 duren. Het project versterkt de intensieve samenwerking van de TU/e en DIFFER op het gebied van fusieonderzoek.

Plasma Material Interaction, DIFFER
Energieonderzoekinstituut DIFFER ontwikkelt technologie voor een toekomst waarin schone energie voor iedereen beschikbaar is. DIFFERs groep Plasma Material Interaction werkt aan het ontwerp van een wand voor een fusiereactor die tegen grote hittebelasting bestand is, en die de werking van het hete plasma in de reactor niet verstoort.

FUSION, TU/e
De FUSION-groep binnen de TU/e heeft verschillende onderzoeksrichtingen, waaronder onderzoek naar hitteschilden met vloeibaar metaal. Daarnaast wordt er ook onderwijs gegeven. De groep is een van de weinige plekken ter wereld waar studenten een masterdiploma in Science and Technology of Nuclear Fusion kunnen halen.

Mechanics of Materials, TU/e
De sectie Mechanics of Materials van de TU/e doet onderzoek naar het gedrag van materialen, voortvloeiend uit de fysische processen en de mechanica op het niveau van de microstructuur en met toepassingen op gebieden van energie, high-tech systems, mobiliteit en fabricagetechnieken zoals additive manufacturing.

                     

Zie voor de introductievideo: https://youtu.be/p2l7-uhuxlQ

 

Go to the News page.