Een van de grootste uitdagingen voor een bruikbare kernfusiereactor vormt sinds jaar en dag de reactorwand: elk bekend materiaal verdampt bij de extreme temperaturen die heersen bij met name de divertor, de ‘uitlaat’ waardoor de opgewekte warmte wordt afgevoerd. De reactorwand is daarom een van de sleutels voor het succes van fusie-energie, stelt natuurkundige Thomas Morgan: ‘Als je kijkt naar de geschiedenis van fusie-onderzoek, hebben verbeteringen in reactorwandtechnologie steevast geleid tot verbeteringen in kernfusie; die twee gaan hand in hand.’

Efficiënt koelmiddel

Morgan, groepsleider bij het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER), en zijn collega’s van de TU/e  denken nu de oplossing te hebben gevonden: een wand van vloeibaar metaal. Morgan legt uit waarom dat twee problemen tegelijk oplost: ‘Een vloeistof is al gesmolten en kan niet scheuren, en nieuw materiaal kan er makkelijk naartoe vloeien waardoor het zelfhelend is. Daarnaast dient het als efficiënt koelmiddel: als de hitteflux te groot wordt, verdampt het vloeibare metaal, botst de metaalgaswolk met het plasma en koelt het plasma af.’ Deze benadering is in theorie een automatisch negatief feedback-systeem voor de fusiereactie, omdat het oververhitting voorkomt zonder dat interventie nodig is. ‘Dat is nuttig als de dingen sneller uit de hand zouden lopen dan we kunnen corrigeren.’

‘Een vloeistof is al gesmolten en kan niet scheuren’

De vloeibaar-metalen wand bestaat uit sponsachtige elementen van wolfraam, dat een hoog smeltpunt heeft van 3.422°C. De onderzoekers willen deze elementen 3D-printen. Voor het vloeibare metaal, dat daar in een dunne laag overheen komt, hebben de onderzoekers twee kandidaten: lithium of tin. ‘We hebben een element nodig met een laag smeltpunt en een hoog kookpunt’, legt Morgan uit. ‘Dat geeft ons de grootste bandbreedte. Voor lithium is dit ongeveer 180-700°C en voor tin 230-1.200°C.’ Het vloeibare lithium of tin bedekt het wolfraam element, en eronder komen dunne pijpen met water onder hoge druk om de hitte razendsnel af te voeren.

Dichter bij de realiteit

Met een NWO Groot-beurs van € 2,5 miljoen mogen DIFFER en de TU/e een lab bouwen om hun idee uit te werken. Het nieuwe lab, dat in 2024 klaar moet zijn en LiMeS (Liquid-Metal Shield) gaat heten, krijgt onder meer een zelfontworpen 3D-printer om de wolfraam wandelementen te printen, een lineaire plasmagenerator om de wand te testen, en apparatuur om te onderzoeken hoe de onderdelen er na de test aan toe zijn.

‘We hebben de afgelopen tijd op kleine schaal tests gedaan en veel geleerd over hoe het zou kunnen werken’, zegt Morgan. ‘In het nieuwe lab kunnen we dichter bij de daadwerkelijke omstandigheden in de reactor komen. We hopen op de eerste resultaten in 2025, ruim voor het geplande ontwerp van een demoreactor rond 2031.’