Wolfraamprinter sleutel in fusiereactoronderzoek TUE en Differ

Alexander Pil
26 mei

In een fusiereactor heersen extreme omstandigheden; de wand van het reactorvat moet tegen extreme hitte bestand zijn. Veel wandmaterialen zijn al getest en te licht bevonden. Een wand van/met vloeibare metalen lijkt nu de oplossing. Differ en de Technische Universiteit Eindhoven krijgen een NWO Groot-beurs van 2,5 miljoen euro om een laboratorium te bouwen waar die nieuwe technologie kan worden onderzocht. Onderdeel van het Limes-lab is een 3D-printer voor wolfraam.

Geprinte wolfraam structuren zijn een veelbelovende optie voor de wanden in een fusiereactor. Beeld: Differ

In de toekomst kan kernfusie een duurzame en veilige energiebron zijn, maar voor het zover is moeten er nog heel wat obstakels worden overwonnen. In het binnenste van een fusiereactor wordt zeer veel energie opgewekt in de vorm van warmte. Die energie moet uiteindelijk door de wand heen naar buiten. Wolfraam is een hittebestendig metaal, dat als wandmateriaal dient. Maar zelfs dat materiaal redt het niet, ondanks een smeltpunt van 3422 graden Celsius. Projectleider Thomas Morgan bij Differ: ‘Ter vergelijking, de wand vangt zwaardere klappen op dan een ruimteschip dat door de dampkring gaat.’

Wat heb je aan een fusiereactor, als de wand om de haverklap kapot gaat? Daarom werkt het fusieonderzoek sinds een aantal jaren aan een nieuw type hitteschilden voor de wand, hitteschilden van wolfraam met vloeibaar metaal. In een vloeistof kun je immers geen deuk slaan; het kan niet scheuren, breken of barsten. Vloeibare wandmaterialen worden daarom gezien als de oplossing voor het ‘wandprobleem’. De wand van de reactor zou dan bestaan uit een soort sponsachtige structuur, waar het vloeibare metaal in zit. Peter Rindt van de TU Eindhoven stelt: ‘We hebben al aangetoond dat hitteschilden van vloeibaar metaal veelbelovend zijn op conceptueel niveau. De volgende stap is dit concept toepassen in een echte reactor.’

Differ en TUE werken al een aantal jaren samen aan dit onderzoek. Ze ontwikkelden samen een plan om voor dit onderzoek een laboratorium te bouwen, waarin materialen en ontwerpen kunnen worden ontwikkeld en getest: het Limes-Lab. Dit plan wordt nu financieel gesteund door NWO.

Ontwerpen, maken, testen

Het laboratorium heeft twee hoofdonderdelen. Zo wordt er een 3D-printer gebouwd voor het printen van onder meer wolfraam, een veelbelovende productiemethode voor de benodigde sponsstructuren. Dit is een nieuwe technologie. Hans van Dommelen van TUE: ‘Het 3D-printen van wolfraam biedt fantastische mogelijkheden, maar is ook uitdagend.’

Daarnaast wordt er een grote plasma-opstelling gebouwd, waarin een prototype kan worden getest. Het wordt dan met een plasma beschoten, en ervaart bijna dezelfde condities als in een echte fusiereactor; ondertussen kan er door de wetenschappers worden meegekeken hoe het wanddeel de test doorstaat.

De 3D-printer komt in TUE’s Additive Manufacturing Lab, de plasma-opstelling bij DIFFER. De bouw van het nieuwe Limes-laboratorium zal naar verwachting tot 2024 duren. De apparatuur kan dan ook worden ingezet voor andere vakgebieden waarbij hoge temperaturen een rol spelen, zoals bij andere energiebronnen, euv-plasmalithografie en neutronenbronnen.