2050
Kernfusie
Kernfusie: de zon in een doos
SCK CEN test structuurmaterialen voor kernfusiereactor
Twee jaar lang testte SCK CEN in zijn BR2-onderzoeksreactor structuurmaterialen voor de testfusiereactor ITER. De materialen werden blootgesteld aan een hoge neutronenflux tot 1.200°C. In 2019 werd de bestralingscampagne afgerond en kwam de fusietestreactor in het Franse onderzoekscentrum Cadarache een stap dichter bij zijn doel: de technische en wetenschappelijke haalbaarheid van kernfusie aantonen. “Nooit eerder in de geschiedenis van SCK CEN hebben we zulke extreme omstandigheden bereikt”, zegt projectcoördinator Dmitry Terentyev.
De zon op aarde. A star in a jar. Er circuleren heel wat bijnamen voor kernfusie, de techniek die de energieopwekking van de zon imiteert. Concreet gaat het om twee waterstofatoomkernen die botsen en tot een zwaardere atoomkern (helium) samensmelten. Kernfusie zou een bijna ongelimiteerde hoeveelheid energie kunnen leveren zonder broeikasgassen uit te stoten. In de strijd tegen de klimaatverandering klinkt dat als muziek in de oren. De techniek zou ook veel minder langlevend radioactief afval produceren dan ‘klassieke’ kernenergie.
Op een werkende kernfusie-installatie is het wellicht nog even wachten. In het Franse onderzoekscentrum Cadarache werkt SCK CEN samen met een internationaal team van wetenschappers aan de fusietestreactor ITER. Het ITER-project moet de wetenschappelijke en technische haalbaarheid van kernfusie als een bruikbare toekomstige energiebron aantonen. In 2050 wordt ITER opgevolgd door DEMO, een prototype van een industriële kernfusiereactor. Dat prototype zou de mogelijkheden voor de commerciële elektriciteitsproductie duidelijk moeten maken.
Materialen die straling weerstaan
De technische en praktische uitdagingen van kernfusie zijn groot. Een van de meest complexe werkpunten is het effect van straling op de apparatuur, de robotica en de structuurmaterialen van een reactor. In dat kader rondden onderzoekers van SCK CEN in 2019 een meerjarige bestralingscampagne in de BR2-onderzoeksreactor af.
“Tijdens de campagne kwalificeerden we de materialen die in de fusiereactor zullen komen. Het ging onder meer om materialen voor de ‘eerste wand’, die direct aan het plasma wordt blootgesteld”, verduidelijkt Dmitry Terentyev, expert in kernfusie. “Twee jaar lang stelden we de materialen bloot aan een hoge neutronenflux tot 1.200°C. Om de fusieomstandigheden maximaal te imiteren, ontwikkelden we het bestralingsapparaat HTHF (High Temperature High Flux). Nooit eerder in de geschiedenis van SCK CEN hebben we structuurmaterialen in zulke extreme omstandigheden getest.” In een volgende stap zullen onderzoekers de thermische, mechanische en micro-mechanische eigenschappen van de bestraalde materialen in kaart brengen. Daarvoor werkt SCK CEN samen met onderzoeksinstellingen uit Duitsland, Italië, Zwitserland en Griekenland.
Keuze van leverancier
Voor de bestralingscampagne bleven de structuurmaterialen twee jaar lang in de BR2-onderzoeksreactor. “Dat was het minimum om de volledige levensduur van de materialen in ITER na te bootsen”, aldus Terentyev. “We onderzochten vooral de mogelijkheden van wolfraam, staal en koper. Wolfraam zou in ITER als een pantser moeten dienen voor de divertor, een component dat de hitte en as bij de fusiereactor verwijdert om het plasma niet te vervuilen. In de divertor lopen de temperaturen het hoogst op. De buitenste schil van de divertor, die met water gekoeld wordt, wordt uit wolfraam vervaardigd.”
“De binnenste pijp waar het water doorstroomt, is uit koper gemaakt. Het staal moet de structuur uit koper en wolfraam ondersteunen.” De basismaterialen voor de fusietestreactor werden in het verleden al geselecteerd. SCK CEN kwalificeert nu het geleverde materiaal van verschillende leveranciers. “Hoe wolfraam, staal of koper op de stralingseffecten reageert, kan verschillen van leverancier tot leverancier”, licht Terentyev toe. “Het hangt bijvoorbeeld af van de samenstelling van het materiaal, het productieproces en de gebruikte installaties. In 2020 en 2021 zal SCK CEN de schade en verouderingsprocessen van de bestraalde materialen analyseren.”
Twee jaar lang bootsten we de effecten van kernfusie op structuurmaterialen na. Nooit eerder bereikten we zulke extreme omstandigheden.
Hoger TRL-niveau
Met de afgeronde bestralingscampagne komt de realisatie van ITER weer een stap dichterbij. “We stijgen opnieuw een TRL-niveau”, zegt Terentyev trots. TRL staat voor Technology Readiness Level en verwijst naar de mate van ontwikkeling waarin nieuwe technologieën zich bevinden. De schaal telt 9 niveaus, van 1 (onderzoek) tot 9 (marktintroductie). “Voor wolfraam zitten we nu op niveau 4 en voor staal op 5. Bij koper trad er onverwacht materiaalverbrossing op. Dat concept moeten we dus bijstellen voor we naar een volgende TRL-fase kunnen overgaan.”
Het ITER-kernfusieonderzoek kadert in het EUROfusion-project, een H2020-samenwerkingsverband tussen Euratom en landen uit de Europese Unie, Zwitserland en Oekraïne. Voor de volgende stap in het onderzoek ontwikkelt SCK CEN samen met internationale partners een nieuw bestralingsapparaat om de structuurmaterialen voor ITER-brandstofcellen uit te testen. SCK CEN blijft dus zijn bestralingscapaciteiten in de BR2-onderzoeksreactor uitbreiden om aan de noden van kernfusieonderzoek tegemoet te komen.
Vergelijk grootschalige projecten als MYRRHA of ITER met de beklimming van de Mount Everest. De top is het ultieme doel, maar het directe pad ernaartoe is onbewandelbaar. Daarom nemen we de alternatieve, ietwat langere route: een met meerdere invalswegen om jonge wetenschappers te laten aansluiten en met tussentijdse successen om te vieren. Dat zorgt voor een groepsgevoel en motivatie.
— Hamid Aït Abderrahim (adjunct-directeur-generaal en directeur van MYRRHA )