De productie van het ‘fusie-staal’ – Fotocredit: Materials Processing Institute

Hoge temperaturen en stralingsniveaus

Het NEURONE-consortium (Neutron Irradiation of Advanced Steels) heeft in zijn eerste jaar een doorbraak bereikt. De groep heeft met succes RAFM-staal (reduced-activation ferritic-martensitic) van fusiekwaliteit op industriële schaal geproduceerd met behulp van een zeven ton zware elektrische vlamboogoven (Electric Arc Furnace, EAF) in het Materials Processing Institute (MPI) in Middlesbrough.

David Bowden, groepsleider van het team voor materiaalwetenschappen en engineering bij UKAEA en programmaleider van NEURONE, zei: “Een van de grootste uitdagingen voor het leveren van fusie-energie is het ontwikkelen van constructiematerialen die bestand zijn tegen de extreme temperaturen (ten minste tot 650 graden Celsius) en de hoge neutronenbelasting die nodig zijn voor toekomstige fusie-energiecentrales.” De hoge temperaturen en stralingsniveaus veroorzaakt door de hoge neutronenbelasting ontstaan als gevolg van de fusiereactie. De constructiematerialen spelen daarom een belangrijke rol bij het handhaven van de integriteit van de fusiecentrale onder deze omstandigheden.

Kosteneffectieve productie van dit soort fusiestaal

Gebaseerd op EAF-technologie, met verbeterde zuiverings- en thermomechanische protocollen, heeft deze benadering de potentie om de productiekosten drastisch te verlagen met een factor 10 vergeleken met conventionele RAFM-tegenhangers, gebruikmakend van bestaande en gemakkelijk schaalbare infrastructuur binnen de toeleveringsketen. MPI leidde de proeven die de productie, het testen en de analyse van gespecialiseerde hoge-temperatuurstaalsoorten mogelijk maakten, in eerste instantie op laboratoriumschaal, wat leidde tot proeven op industriële schaal in hun EAF. Richard Birley, projectleider NEURONE bij MPI, zei: “Als enige soevereine Britse staalonderzoeksfaciliteit die RAFM-staal op deze schaal kan produceren, is dit een baanbrekend moment voor O&O op het gebied van kernfusie.”

“De productie van 5,5 ton RAFM-staal van fusiekwaliteit legt de basis voor een kosteneffectieve productie van dit soort fusiestaal voor toekomstige commerciële fusieprogramma’s,” legt Bowden uit. “NEURONE is van plan om geavanceerde varianten van RAFM-staal te produceren die kunnen werken tot 650°C – een ambitieuze doelstelling, gezien de fysica van de vaste toestand van het gedrag van bestraalde materialen. De ontwikkeling van dit soort staal zou ook ten goede kunnen komen aan aangrenzende industrieën die constructiestaal met een hoge sterkte en hoge temperatuur nodig hebben, zoals kernsplijting of de petrochemische industrie. Het programma is ook van plan om een geoptimaliseerde geavanceerde RAFM-legering te produceren met behulp van de vlamboogoven op een schaal van meerdere tonnen, vergelijkbaar met het beste EU-staal voor de ontwikkeling van kernfusie (RAFM) (EUROFER 97)”, concludeert hij.

NEURONE

Het NEURONE-Consortium is een samenwerking tussen UKAEA’s Materials Division en academische en industriële partners in het Verenigd Koninkrijk, evenals internationale partners die toegang bieden tot neutronenbestralingsfaciliteiten. NEURONE is opgericht om staalsoorten te onderzoeken, testen en ontwikkelen die bij hogere temperaturen werken dan conventionele staalsoorten. Dit maximaliseert de capaciteit van fusiemachines om warmte te onttrekken, die gebruikt wordt om turbines aan te drijven en elektriciteit op te wekken, waardoor de algehele efficiëntie van fusiecentrales verbetert.

NEURONE heeft ook meer dan 50 verschillende varianten van een geavanceerde ferritisch-martensitische (ARAFM) staallegering met verminderde activering geproduceerd voor analyse. Er zijn nieuwe benaderingen ontwikkeld voor het analyseren van schade aan materialen en er zijn gegevens verzameld over de prestaties van kleine initiële smeltingen op laboratoriumschaal van materiaal met een massa tussen 100 en 400 gram.