Wolfraam, een van de meest veelbelovende materialen voor onderdelen van fusiereactoren, kan bij de extreem hoge energieën binnen zo’n reactor meer schade oplopen dan tot nu toe werd aangenomen. Dat blijkt uit een reeks simulaties van onderzoekers aan de Universiteit van Helsinki, gepubliceerd in Physical Review Letters. Het team, met eerste auteur Jesper Byggmästar, gebruikte moleculaire dynamica-simulaties waarin voor het eerst een miljard atomen tegelijk werden doorgerekend. De resultaten kunnen gevolgen hebben voor het ontwerp en de verwachte levensduur van reactoronderdelen die blootstaan aan de intense straling in een fusieplasma.
- Wolfraam vertoont bij hoge energieën meer stralingsschade dan bestaande modellen voorspellen.
- De simulatie besloeg een miljard atomen tegelijk, een mijlpaal in dit onderzoeksveld.
- Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters onder leiding van Jesper Byggmästar.
Waarom straling reactormaterialen aantast
Fusiereactoren wekken energie op door lichte atoomkernen bij extreem hoge temperaturen te laten samensmelten. Bij die kernfusiereactie komen neutronen vrij: elektrisch neutrale deeltjes met hoge energie. Wanneer zo’n neutron een atoom raakt, kan het dat atoom uit zijn normale positie slaan. Het verplaatste atoom botst vervolgens tegen andere atomen, die op hun beurt ook van hun plaats raken. Dit kettingeffect staat bekend als primaire stralingsschade en vormt een van de grote uitdagingen bij het bouwen van duurzame fusiereactoren.
Om die schade te meten, tellen onderzoekers hoeveel atomen uit hun normale positie worden geslagen nadat één atoom door een hoogenergetisch neutron is geraakt. Voor de materialen die het plasma omringen, is dit een cruciale maatstaf voor slijtage.
Een simulatie die begon als technisch experiment
Het project ontstond aanvankelijk uit een technische ambitie. “Het project begon als onderdeel van onze inspanning om ons machine-learning-simulatiemodel efficiënt te laten draaien op grafische processoren (GPU’s)”, vertelde Byggmästar aan Phys.org. “Daarna beseften we dat we veel grotere en nauwkeurigere simulaties konden uitvoeren dan ooit tevoren. We besloten uit te zoeken wat voor schade er ontstaat als je wolfraam bestraalt met ionen van extreem hoge energie.”
Met een machine-learning-model dat de moleculaire dynamica van wolfraam betrouwbaar nabootst, doorbrak het team de grens van een miljard gesimuleerde atomen tegelijk — volgens de onderzoekers een ongekende schaal binnen dit vakgebied.
Een vierde regime dat modellen niet voorzagen
De uitkomsten weken af van wat bestaande modellen aannemen. “In metalen gaan de huidige modellen ervan uit dat het aantal defecten eerst sublineair toeneemt met de terugstootenergie, en daarna lineair”, legde Byggmästar uit. “We ontdekten dat in wolfraam de trend van sublineair naar superlineair en uiteindelijk naar lineair gaat.”
Bij de extreem hoge energieën die in een fusiereactor voorkomen, zouden wolfraamonderdelen volgens de simulaties dus sneller degraderen dan oorspronkelijk gedacht.
Byggmästar wijst op twee kernresultaten. “Er zijn twee grote prestaties in ons artikel, één met technische en één met wetenschappelijke implicaties”, zei hij. “We hebben aangetoond dat nauwkeurige simulaties van een miljard atomen niet alleen technisch mogelijk zijn, maar ook nuttig om nieuwe fysica te ontdekken. Het model voor primaire stralingsschade van wolfraam dat we uit de simulaties hebben afgeleid, is bruikbaar in de bredere context van fusiematerialenonderzoek.”
Wat dit betekent voor het ontwerp van fusiereactoren
De bevindingen kunnen helpen om robuustere en duurzamere reactoronderdelen te ontwerpen. Concreet betekent dit dat ingenieurs beter kunnen inschatten hoe lang wolfraamonderdelen meegaan en hoe snel ze in de loop van de tijd verslechteren. Voor de bredere zoektocht naar schonere energieopwekking is dat relevant: fusie geldt als een potentiële bron van duurzamere elektriciteit, maar de haalbaarheid hangt sterk af van materialen die de extreme omstandigheden lang genoeg weerstaan.
De onderzoekers benadrukken wel dat hun studie zich beperkt tot de primaire stralingsschade, veroorzaakt door één enkele atomaire terugstoot. “Tijdens de werking van een reactor en bij bestralingsexperimenten wordt het materiaal blootgesteld aan veel meer straling over langere tijd- en lengteschalen”, aldus Byggmästar. Het team werkt nu aan simulaties met hogere stralingsdoses en grotere schalen, en wil ook onderzoeken hoe de microstructuur van het materiaal — zoals korrelgroottes, korrelgrenzen en legeringselementen — de schade beïnvloedt.
Denkt u dat kernfusie een realistische bijdrage kan leveren aan onze toekomstige energievoorziening, of blijven materiaalproblemen zoals deze een te grote hindernis? Deel uw visie hieronder.
