De voornaamste bottleneck voor de ontwikkeling van kernfusiereactoren is wellicht de divertor, waar het gloeiend hete plasmamengsel dat als brandstof dient telkens gezuiverd wordt en opnieuw geïnjecteerd alvorens het na de fusiereactie de reactor verlaat. Deze ‘uitlaat’ van de reactor staat daardoor bloot aan een bombardement warmtestraling, ionen en neutronen - voldoende om minder hittebestendig materiaal in een oogwenk te laten smelten of zelfs doen verdampen.

De uitlaat van testreactor ITER, die momenteel in het Zuid-Franse Cadarache wordt gebouwd, is daarom bekleed met zo’n tweehonderdduizend blokjes van het metaal wolfraam, elk zo’n centimeter groot en doorsneden met een buis met koelvloeistof om de hitte af te voeren. Wolfraam is hier uiteraard geen toevallige keuze: het heeft met 3422 graden Celsius het hoogste smeltpunt van alle elementen.

Neutronenstraling

Hoe deze wandbekleding zich onder zulke extreme omstandigheden houdt, is onmogelijk in de praktijk te testen. Daarom is er een belangrijke rol weggelegd voor theoretische modellen en computersimulaties.

Daarom wijdde Awital Mannheim zich als promovenda bij Werktuigbouwkunde aan het modelleren van het effect van neutronenstraling op de wolfraam bekleding. “De invloed van de ionen uit het fusieplasma op het oppervlak van de wand wordt hier op de campus bij DIFFER experimenteel getest”, vertelt ze. “Maar neutronen gedragen zich heel anders; die dringen diep in het materiaal door en veroorzaken daar defecten in het metaalrooster.”

Door die defecten wordt het metaal brosser, legt Mannheim uit. “Dat is voor metalen vaak gewenst, want brosse metalen zijn harder. De wolfraam uitlaat wordt waarschijnlijk echter te bros door de neutronenstraling.” Omdat de wandbekleding beter wat flexibeler kan zijn dan bros (oftewel hard maar breekbaar), is het voortdurende bombardement door neutronen dus in principe een serieus probleem - de kosten van het voortijdig vervangen van de uitlaat bedragen honderden miljoenen euro’s. “Maar ik heb ook laten zien dat het gericht verwarmen van de uitlaat de levensduur kan verlengen.”

Tussentijdse reparatie

Door die verhitting vindt namelijk een proces plaats dat rekristallisatie wordt genoemd. “Wolfraam is een zogeheten polykristal, opgebouwd uit talloze kleine kristalkorrels met elk hun eigen oriëntatie van het metaalrooster.” Als in die korrels te veel atomen van hun plek zijn gestoten door neutronen, wordt het gunstiger om de beschadigde korrels om te zetten naar een nieuwe kristalstructuur. “Daarvoor moet echter wel een energiebarrière overwonnen worden. Volgens mijn berekeningen kan dat met een warmtebehandeling. Bijvoorbeeld een uur lang verhitten na elke 500 uur kernfusie.” Op die manier wordt het materiaal als het ware tussentijds telkens gerepareerd.

Mannheim hoopt dat toekomstige fusieprojecten iets zullen doen met haar aanbeveling. “Greg De Temmerman, hoofd materiaalonderzoek van ITER, zat in mijn promotiecommissie en was in ieder geval zeer geïnteresseerd in de potentie van warmtebehandeling. Ik verwacht dat er ook wel experimenten zullen worden opgezet om die in de praktijk te testen; dat is helaas niet meer tijdens mijn project gelukt.”

Chipmachine

Zelf zal ze daar niet meer bij betrokken zijn; ze gaat aan de slag bij chipmachinebouwer ASML als Overlay Analyst, vertelt ze. “Daarvoor moet ik overzicht hebben over de hele chipmachine. Net als een kernfusiereactor is dat een zeer complex apparaat waarin bij extreme omstandigheden wordt gewerkt. En ik zal in mijn nieuwe baan grote datasets moeten analyseren, net als in mijn promotietraject. Er zijn dus genoeg raakvlakken.”