ENGINEERINGNET.NL -- De reactorwand van ITER krijgt bij de uitlaat naast een continu bombardement van geladen deeltjes ook korte en herhalende miniatuur-zonnevlammen te verwerken.
Als eerste laboratoriumopstelling ter wereld kan Magnum-PSI deze omstandigheden nabootsen, door zowel de constante plasmastroom, als tien tot honderd maal intensere, kortstondige energie-uitbarstingen te produceren.
Samen met twee Duitse instituten onderzoekt DIFFER nu of ITERs geplande wandmateriaal wolfraam door de twee types belasting bros wordt door herkristallisatie.
Geen enkel onderdeel van ITER wordt zo zwaar belast als de divertor, ofwel uitlaat van de reactor. Een fusiereactor produceert energie door een heet geladen gas (plasma) van waterstofisotopen samen te laten smelten tot helium.
Sterke magneten houden het plasma overal van de reactorwand af, behalve bij de uitlaat. Daar verlaat het helium de reactor en komt het plasma in direct contact met de wand. Die wand wil de ITER-organisatie bekleden met het hittebestendige metaal wolfraam.
Naast contact met de continue stroom geladen deeltjes van het plasma krijgt de uitlaat van ITER ook plotselinge energiepulsen van het plasma te verwerken. Deze zogeheten Edge Localised Modes of ELMs zijn de fusiereactor-equivalent van zonnevlammen.
"In Magnum-PSI konden we al plasma's opwekken met dezelfde eigenschappen als bij de uitlaat van ITER", vertelt onderzoeksleider dr. Greg de Temmerman. "Eind 2012 hebben we de machine uitgebreid met een condensatorbank, waardoor we het vermogen door de bron nu voor een fractie van een seconde kunnen opvoeren, en dat tientallen malen per seconde."
In een fusiereactor treedt dezelfde situatie op: ELM-uitbarstingen volgen elkaar op in een reeks van energieflitsen. Magnum-PSI kan met zijn pulserende bron ELMs simuleren die twee keer zo intens zijn dan in bestaande fusiereactoren. Daarmee is het experiment uniek geschikt om materialen voor toekomstige fusie-experimenten te testen, denkt De Temmerman.
"Voor ITER testen we nu met wolfraam wandelementen in Magnum-PSI of het materiaal bros wordt door die combinatie van plasmabelasting en ELM-uitbarstingen."
Magnum-PSI heeft de wolfraamelementen nu blootgesteld aan 17.400 opeenvolgende plasmapulsen met een piekvermogen van 10 MW per vierkante meter. Tijdens zo'n ELM-puls stijgt de temperatuur van een nanometers dik oppervlaktelaagje met wel 300 graden Celsius.
Oppervlaktetemperatuur van een wolfraamelement tijdens blootstelling aan een reeks plasmapulsen in Magnum-PSI. Deze kunstmatige zonnevlammen (ELMs) zullen ook voorkomen in de kernfusiereactor ITER. Elke ELM duurt tot een milliseconde en heeft een piekvermogen van 10 MW/m2. Tijdens de ELM stijgt de oppervlaktetemperatuur met zo'n 300 graden Celsius.
Het onderzoek wordt uitgevoerd in samenwerking met twee Duitse collega-instituten. Het Forschungszentrum Jülich stelt met haar elektronenkanon JUDITH de wolfraamblokjes bloot aan enkel de hittepulsen tijdens ELMs, terwijl het experiment GLADIS van het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik alleen de continue plasmabelasting simuleert.
De Temmerman: "Op die manier kunnen we alle effecten op het materiaal los van elkaar bestuderen. In Magnum-PSI wekken we de twee types wandbelasting tegelijk op en kijken we naar synergistische effecten. We zijn nog bezig met de dataverwerking, maar het wolfraam lijkt zich spectaculair goed te houden. We hebben 17.400 kunstmatige ELMs achter de rug en bereiken nu onverkende gebieden in termen van deeltjesbelasting."
De ITER-organisatie neemt deze zomer de definitieve beslissing over het wandmateriaal voor de uitlaat van de reactor.
(GL)
Video:
