DIFFER beschikt overeen opstelling waarin de blootstelling van de wand van een kernfusiereactor aan gloeiend heet plasma het dichtst kan worden benaderd: de Magnum-PSI. TU/e-promovendus Peter Rindt testte met deze plasmaversneller onlangs een mogelijke oplossing voor één van de grootste problemen bij kernfusiereactoren: de aantasting van de ‘uitlaat’ van de reactor door het fusieplasma.

In een kernfusiereactor botsen losse waterstofkernen in een plasma zo hard op elkaar dat ze samensmelten tot heliumkernen, een proces waarbij veel energie vrijkomt en dat ook plaatsvindt in de zon. Het plasma wordt in bedwang gehouden door sterke magneetvelden, maar bij de uitlaat komt het gloeiend hete gas van geladen deeltjes in contact met de wand - die daardoor snel kapotgaat door erosie.

Het is niet praktisch om die uitlaat simpelweg dikker maken, zegt Peter Rindt, promovendus aan TU/e-faculteit Technische Natuurkunde. “Dan kun je de wand namelijk niet meer koelen en gaat hij alsnog stuk door de hitte.” Een alternatieve oplossing werd al begin jaren zeventig voorgesteld, vertelt hij. “Je zou de reactorwand kunnen beschermen met een laagje vloeibaar metaal, dat voortdurend wordt aangevuld vanuit een reservoir.”

Die optie onderzoekt Rindt nu. Lithium leent zich hiervoor - naast tin - het best, denkt hij. “Lithium heeft het juiste smeltpunt en wordt niet radioactief van het waterstofplasma. Bovendien corrodeert het supersnel: je zou kunnen zeggen dat het zuurstof opzuigt, waardoor het een zuiverende werking heeft op het fusieplasma.”

Je kunt de wand van de kernfusiereactor beschermen met een vloeibaar laagje metaal

Rindt bedacht een constructie die doet denken aan het oppervlak van een Rubiks kubus: blokjes van ongeveer een centimeter in het vierkant, met gleufjes ertussen die via kanaaltjes zijn verbonden met een onderliggend lithiumreservoir. Daarbovenop bracht hij nog een metalen gaasje aan, dat als een soort spons werkt, waardoor er een flinterdun laagje lithium op blijft liggen. Tenminste, als je het op de juiste manier aanbrengt, anders krijg je druppels. “Je moet het oppervlak heel schoon houden, en de lithium zo heet mogelijk aanbrengen. Het voordeel van de kleine blokjes is ook dat ze kunnen uitzetten als ze warm worden, zonder dat ze gaan scheuren. En de lithium die ertussen stroomt, zorgt ervoor dat de warmte van de heetste blokjes naar de koudere blokjes kan worden afgevoerd.”

Zo’n blokje, een miniem onderdeeltje van wat ooit een volledige wand van vele vierkante meters moet worden, heeft de promovendus vorige maand met succes getest in de Magnum-PSI - een korte wandeling via de loopbrug verwijderd van zijn kantoor in Flux. “Het idee is dat de wand vijf seconden lang tien megawatt per vierkante meter moet kunnen verwerken. Mijn constructie blijkt maximaal veertien megawatt per vierkante meter aan te kunnen, als we plasmapulsen van tien seconden gebruiken. Ruim voldoende dus. Als we naar hogere energieën gaan, dan zie je een gat ontstaan in het gaasje, terwijl de lithium nog steeds zijn werk blijft doen.”

Rindt, die een bachelor Werktuigbouwkunde afrondde voordat hij koos voor de master Science & Technology of Nuclear Fusion, maakte het prototype van molybdeen - een ander materiaal dan wolfraam, dat in de huidige plannen voor fusiereactoren de voorkeur heeft. “Molybdeen is makkelijker te verwerken”, verklaart hij. “In de praktijk is dit materiaal overigens geen goede keuze, omdat het langdurig radioactief wordt als je het met neutronen bombardeert.”

Die neutronen komen vrij bij kernfusie en zijn cruciaal voor de werking van een fusiecentrale, maar spelen een ondergeschikte rol bij wanderosie. “In de Magnum-PSI vindt geen fusie plaats en ontstaan dus ook geen neutronen. We hebben nu met heliumplasma getest, dat gaan we ook nog doen met waterstof. Dat is realistischer is voor een fusiereactor, maar wel lastiger te meten omdat het in tegenstelling tot helium reageert met lithium.”

Ook op het gebied van schone brandstoffen wordt samengewerkt met DIFFER. Onder meer vanuit de TU/e-groep Plasma & Materials Processing (Technische Natuurkunde) lopen enkele projecten rond het omzetten van CO₂ naar CO - een belangrijke stap in het produceren van vloeibare brandstoffen met behulp van (duurzaam opgewekte) elektriciteit.

Je kunt duurzame brandstoffen maken uit CO₂ en water, met behulp van duurzaam opgewekte energie, zegt Richard Engeln, universitair hoofddocent bij Plasma & Materials Processing (PMP). Daarbij wordt dan in eerste instantie gedacht aan zonne-energie - vandaar de naam Solar Fuels - maar bij deze variant kan dat net zo goed windstroom zijn. Of kernenergie, vindt Engeln. Als er maar geen fossiele bronnen voor verstookt worden; alleen dan is de brandstof namelijk CO₂-neutraal.

Voor de vorming van de beoogde duurzame brandstof moet eerst CO₂ worden omgezet naar CO. Dat kan in een plasma - een gas met geladen deeltjes - waarin de CO₂-moleculen door botsingen met elektronen, en met elkaar, aan het trillen worden gebracht. “Je pompt ze als het ware op, totdat er een O-atoom loslaat”, legt Engeln uit. “Dat is in theorie een veel energiezuinigere manier om CO te maken uit CO₂ dan het alternatief, waarbij je het hele gas verwarmt. Dat komt doordat eigenlijk alleen elektronen in het plasma echt heet worden. En de dissociatie van CO₂ is de stap die de meeste energie kost, dus het is heel belangrijk om die stap te optimaliseren.”

Dissociatie van CO₂ kost bij het maken van ‘solar fuels’ het meeste energie

Samen met DIFFER bestuderen de onderzoekers van PMP de plasma-dissociatie van CO₂. Daarbij richt het energie-instituut zich meer op de toepassing, legt Engeln uit, terwijl de fundamentelere metingen aan de TU/e plaatsvinden. “Dat uit zich in het feit dat ze bij DIFFER werken met een microgolfplasma, dat geschikt is om de CO-productie op te schalen. Wij gebruiken daarentegen glow discharge plasma’s bij lage druk; die zijn hanteerbaarder om fundamentele metingen mee te doen.”

In het lab van PMP in Spectrum laten Engelns promovendi Bart Klarenaar en Mark Damen een handvol opstellingen zien die allemaal worden gebruikt om het bovengenoemde dissociatieproces van CO₂ te onderzoeken. Dit doen ze door CO₂-plasma te beschijnen met diverse soorten licht. Een grote monitor toont een grafiek met een groot aantal scherpe pieken. Het zijn de door Engeln gememoreerde moleculaire trillingen, de zogeheten vibratietoestanden van CO₂, zichtbaar gemaakt met infrarood licht. Klarenaar: “Zo’n apparaat hebben ze ook bij DIFFER en bij collega’s in Parijs. We doen de metingen apart, maar de resultaten bediscussiëren we uitgebreid, en we schrijven ook samen artikelen.”

In een andere opstelling wordt juist de rotatie van de CO₂-moleculen gemeten, maar dan op elk punt in het plasma. “In die andere opstelling kunnen we alleen de ‘line of sight’ meten”, zegt Klarenaar. “Dirk van de Bekerom, die bij DIFFER op hetzelfde project zit als ik, heeft bedacht hoe je uit deze rotatiemetingen informatie kunt afleiden over de vibraties. Dat maakt deze opstelling weer complementair aan de andere.”

Binnenkort komt ook in Spectrum een microgolfplasma, vertelt collega-promovendus Damen. “Daarin willen we de CO-productie zichtbaar maken in ruimte en tijd.” Dat gebeurt met blauw laserlicht in een vacuümbuis (de plasmareactor), laat hij zien, met een lenzensysteem eromheen waarmee het verstrooide licht wordt opgevangen. “Simpelweg gesteld: hoe meer fluorescentie je ziet, hoe meer CO er is geproduceerd.” Bij DIFFER wordt het gas met hoge snelheid door de buis geleid, om te voorkomen dat de wand van de plasmareactor te warm wordt, legt hij uit. “Daardoor kunnen ze daar niet zien waar, en vooral bij welke temperatuur de CO nu precies wordt gevormd.” Dat lukt met deze opstelling wel: namelijk door te kijken hoe de fluorescentie varieert met de exacte golflengte van het blauwe laserlicht.

Met de komst van het Center for Computational Energy Research (CCER), dat op 21 juni officieel werd geopend, ontstaat een samenwerking tussen de TU/e en DIFFER op het gebied van rekenen aan energie. De nadruk van het CCER zal liggen op modelvorming en exploratieve computersimulaties, die een sturende rol moeten hebben voor het experimentele energieonderzoek.

Het nieuwe Center for Computational Energy Research is een gelijkwaardige samenwerking tussen de TU/e en DIFFER. Om het centrum op poten te zetten, is oud-Shellman en TU/e-alumnus Vianney Koelman aangetrokken als wetenschappelijk directeur. In die hoedanigheid is hij een dag per week in dienst van DIFFER, en een dag bij de TU/e.

Het CCER beoogt meer te zijn dan een virtueel instituut, vertelt Koelman. Het centrum beschikt over eigen kantoorruimte in het gebouw van DIFFER, waar mensen kunnen werken, vergaderen en brainstormen bij de koffieautomaat. De afgelopen maanden heeft de wetenschappelijk directeur met veel onderzoekers gesproken, en hij verwacht dat zich na de opening zo’n twintig wetenschappelijke stafleden van de TU/e en DIFFER zullen aansluiten bij het centrum.

“Als die allemaal één of twee promovendi meenemen, dan hebben we al een mooie groep. En we zijn ook bezig om mensen van buiten te benaderen. Die krijgen een deeltijdaanstelling aan de TU/e en worden vervolgens uitgeleend aan het CCER.” Het onderzoek moet overigens vrijwel geheel worden gefinancierd uit bestaande middelen en subsidies, benadrukt Koelman. “We hebben geen grote zak met geld meegekregen, alleen een startsubsidie.”

“De naam CCER refereert bewust niet aan Eindhoven, of zelfs aan Nederland”

De wetenschappelijk directeur wordt bijgestaan door adjunct-directeur Peter Bobbert, tevens universitair hoofddocent aan TU/e-faculteit Technische Natuurkunde en deeltijdhoogleraar in Twente, en beleidsmedewerker Paul Bezembinder. Koelman heeft zelf ook een achtergrond bij Technische Natuurkunde; hij studeerde aan deze faculteit en promoveerde er in 1988. Daarna werkte hij meer dan een kwart eeuw in diverse functies bij Shell, waar hij vorig jaar afscheid nam als vicepresident ‘Computational R&D’. Volgens hem wordt het CCER het eerste centrum van zijn soort in Europa. De bedoeling is ook dat de reikwijdte niet beperkt blijft tot Eindhoven. “De naam refereert ook bewust niet aan Eindhoven, of zelfs aan Nederland.”

Binnen het centrum zal met name exploratief computationeel onderzoek worden verricht: de onderzoekers zullen gaan rekenen aan technologieën voor een duurzame energievoorziening. Met modellen en computersimulaties worden de mogelijkheden in kaart gebracht voor experimenteel onderzoek in het laboratorium, legt Koelman uit. “Wat zijn bijvoorbeeld kansrijke methoden om brandstoffen te maken met energie uit zon of wind? En welke materialen zouden geschikt kunnen zijn om warmte in op te slaan?” Daarnaast wordt door wetenschappers van DIFFER en de TU/e al jarenlang gezamenlijk gerekend aan kernfusie - met name aan het daarvoor benodigde plasma en regeltechnieken om dat plasma in bedwang te houden.

Veel nadruk ligt daarbij op samenwerking met experimentatoren, en tussen rekenaars met verschillende achtergronden. “Het is zinloos om iets door te rekenen waarvan experimentatoren al weten dat het niet kan werken; in die zin is het de bedoeling dat deze experimentatoren ons met beide benen op de grond houden. Daarnaast zie je nu dat computationele wetenschappers verspreid zijn over verschillende onderzoeksgroepen, terwijl juist een kritische massa vereist is om echt vooruitgang te boeken. Je hebt bijvoorbeeld specialisten nodig om de bedachte algoritmes efficiënt te kunnen draaien op supercomputers.”

De kracht van het CCER zal volgens Koelman vooral liggen op het gebied van atomaire simulaties en ‘multiscale’-onderzoek - waarbij wordt onderzocht hoe fenomenen doorwerken op verschillende lengte- en tijdschalen. “En de derde tak, die nog deels in de kinderschoenen staat, zal gericht zijn op datagedreven onderzoek en machine learning, waarbij de je computer zelf laat bepalen in welke richting hij zoekt naar oplossingen.”