Innovatief en alledaags

Materialen met neutronen bestralen in nieuw IAEA project

Op 21 december 2021 werd in een faciliteit 14 kilometer ten zuiden van het stadscentrum van Oxford de Joint European Torus (JET) fusie-installatie opgestart. De tokamakreactor, die gebruik maakt van krachtige magneten om waterstof op te sluiten en te versmelten, produceerde een recordbrekende fusie-energiepuls van 59 megajoule gedurende vijf seconden. 

De bijna veertig jaar oude JET kon de historische doorbraak realiseren, gedeeltelijk dankzij een aanpassing waarbij de koolstof binnenwanden werden vervangen door metalen - een verandering met belangrijke implicaties voor de toekomst van de ontwikkeling van fusie-energie. Een nieuw door de IAEA gecoördineerd onderzoeksproject helpt deze verandering beter te begrijpen en de materialen te onderzoeken die in toekomstige fusiereactoren worden gebruikt. Samen met internationale deskundigen uit 15 landen bootsen de IAEA en haar partners met behulp van een neutronenbron de omstandigheden na waarmee de binnenwand van een fusiereactor wordt geconfronteerd en bepalen zij hoe waterstof doordringt in de metalen componenten binnen die wand. De resultaten van het project kunnen belangrijke antwoorden geven op vragen over de kosten, de efficiëntie en het afval van grote fusie-experimenten en -reactoren, zoals ITER en DEMO, en toekomstige fusiecentrales.

"Een van de meest uitdagende aspecten van een fusiereactie is het omgaan met de schade die wordt veroorzaakt door vrijkomende neutronen", zegt Kalle Heinola, een atoomfysicus van de IAEA die het project coördineert. "Voor materiaalonderzoek met neutronen is doorgaans een dure neutronenbron nodig en gelden speciale eisen voor stralingsveiligheid. Daarom hebben natuurkundigen en ingenieurs traditioneel geëxperimenteerd met materialen door ze te bombarderen met ionen of door middel van computersimulaties. Deze alternatieven hebben echter nadelen of beperkingen en geven niet altijd een goed beeld van de schade die neutronen kunnen veroorzaken. Ons project pakt dat aan."

Zakken vol energie

Het benutten van fusie-energie berust op het strak opsluiten van atomen bij extreem hoge temperaturen (meer dan 150 miljoen graden Celsius), zodat ze samensmelten. Bij dit proces komt een enorme hoeveelheid energie vrij in de vorm van warmte, maar ook neutronen. Fusiemachines zoals JET en ITER, de machine die nog in aanbouw is, werken met magneten om een brandstof van geïoniseerd deuterium en tritium - twee soorten waterstofisotopen - op te sluiten, maar kunnen geen neutronen, die geen lading hebben, tegenhouden.

"De neutronen komen met grote energie uit de fusiereactie. Dat is heel belangrijk, want de ingenieurs hopen ze te kunnen gebruiken om meer fusiebrandstof te maken via een 'tritiumkweekdeken', een op lithium gebaseerde laag in de reactor. Maar op hun weg naar de bekleding kunnen de neutronen de binnenwanden van de reactor op atomair niveau beschadigen, of pockmarks maken", legt Heinola uit. De pockmarks zijn problematisch omdat zij niet alleen de integriteit van de binnenwand aantasten en daarmee de prestaties van het superhete plasma van de reactor, maar ook microscopisch kleine holten creëren waarin de deuterium- en tritiumbrandstof kan doordringen en gedurende lange perioden kan blijven zitten. Dit is problematisch omdat tritium zeer zeldzaam is, zodat waardevolle brandstof in wezen verloren gaat aan de wanden, en radioactief is, waardoor de wand ook radioactief wordt. Vermindering van de waterstofretentie zal bijdragen tot vermindering van het radioactieve afval, de brandstofkosten en de behoefte aan onderhoud. Neutronen die worden geproduceerd door de fusiereacties creëren atomaire holten in de wandmaterialen van de reactor, waarin tritium kan worden opgesloten of doordringen als het niet wordt teruggevoerd naar het plasma. 

Materialen van de toekomst testen

Dmitry Terentyev is R&D-programmamanager Fusie bij het Studiecentrum voor Kernenergie, het SCK CEN. Hij en zijn team ontvangen materialen via het IAEA-project en ‘bombarderen’ die met neutronen in hun neutronenbroninstallatie in Mol. In februari ontvingen ze hun eerste partij. "We gebruiken de splijtingsonderzoeksreactor 'BR2' als neutronenbron om materialen voor de onderdelen van fusiereactoren te bestralen", zegt Terentyev. "Het hele proces bootst de effecten na van de uitgeworpen neutronen van een fusiereactie, en we kunnen ons experiment aanpassen om de verschillende intensiteitsniveaus van het neutronenbombardement na te bootsen. Hoewel de neutronenenergie van een splijtingsreactie lager is dan die van een fusiereactie, kunnen wij toch onderzoek van onschatbare waarde verrichten naar de effecten die worden teweeggebracht door snelle neutronen. De komende 6 maanden zal het SCK CEN verschillende soorten pantsermaterialen voor vaten testen (wolfraam, slimme legeringen op basis van wolfraam, molybdeen, ijzer en staal) samen met verbindings- en leidingmaterialen (koper en koper-chroom-zirkonium).

Het complete artikel is te vinden op de website van de IAEA.

Foto: ©ITER Organization, http://www.iter.org/

Gerelateerd nieuws

Kerncentrale Borssele uit bedrijf voor jaarlijks onderhoud
31 maart 2022
Op vrijdag 1 april gaat de kerncentrale Borssele uit bedrijf voor de jaarlijkse splijtstofwisselperiode. Naast het wisselen van de splijtstofelementen (de brandstof van de kerncentrale) worden zo’n 1.300 onderhoudsactiviteiten uitgevoerd. Het gaat om werkzaamheden variërend van het reinigen van inst
Negentig procent van de Belgen tegen sluiting kerncentrales
Bron: NucNet30 maart 2022
Uit een recente opiniepeiling blijkt dat slechts 9% van de Belgen voorstander is van een onmiddellijke sluiting van de twee kerncentrales (7 reactoren) in het land - een aanzienlijke ommekeer in de steun van de bevolking voor de energiebron, terwijl 15% nog maar drie maanden geleden voorstander was
Tweede eenheid van de kerncentrale Barakah in bedrijf genomen in de Verenigde Arabische Emiraten
Bron: NucNet24 maart 2022
Eenheid 2 van de Barakah-kerncentrale in de Verenigde Arabische Emiraten is officieel in bedrijf genomen, waardoor 1.400 MW elektriciteit wordt toegevoegd aan het nationale elektriciteitsnet en de totale productie van de eenheden 1 en 2 van de centrale op 2.800 MW komt.

Gerelateerd nieuws

Op vrijdag 1 april gaat de kerncentrale Borssele uit bedrijf voor de jaarlijkse splijtstofwisselperiode. Naast het wisselen van de splijtstofelementen (de brandstof van de kerncentrale) worden zo’n 1.300 onderhoudsactiviteiten uitgevoerd. Het gaat om werkzaamheden variërend van het reinigen van inst
Uit een recente opiniepeiling blijkt dat slechts 9% van de Belgen voorstander is van een onmiddellijke sluiting van de twee kerncentrales (7 reactoren) in het land - een aanzienlijke ommekeer in de steun van de bevolking voor de energiebron, terwijl 15% nog maar drie maanden geleden voorstander was
Eenheid 2 van de Barakah-kerncentrale in de Verenigde Arabische Emiraten is officieel in bedrijf genomen, waardoor 1.400 MW elektriciteit wordt toegevoegd aan het nationale elektriciteitsnet en de totale productie van de eenheden 1 en 2 van de centrale op 2.800 MW komt.
Nieuwsoverzicht