Vloeibare lithiumwand: zelfherstellende bescherming voor fusiereactoren
Stel je een kachel voor die zo heet wordt dat elk bekend materiaal ervan zou smelten, verdampen of afbrokkelen. Dat is precies het probleem in een fusiereactor: het plasma – het gloeiend hete, elektrisch geladen gas waarin waterstofkernen samensmelten – bereikt temperaturen van tientallen tot honderden miljoenen graden. Geen enkele vaste wand houdt dat op de lange termijn vol zonder te slijten. Een vloeibare lithiumwand is een radicale oplossing voor dat probleem: in plaats van een vaste wand van bijvoorbeeld wolfraam gebruik je een dunne laag vloeibaar lithiummetaal die voortdurend ververst wordt.
Vergelijk het met het verschil tussen een korstje op een wond dat op den duur afbrokkelt en steeds opnieuw moet groeien, en een wond die permanent bedekt blijft door een dun laagje vloeistof dat zichzelf constant aanvult. Lithium is het lichtste metaal in het periodiek systeem en smelt al bij ongeveer 180 graden Celsius – vergelijk dat met wolfraam, dat pas boven de 3400 graden smelt. Onderzoekers experimenteren al sinds de jaren negentig met dunne lithiumlaagjes in fusiemachines, maar pas de afgelopen vijftien jaar is het onderzoek naar volledig vloeibare, zelfvernieuwende lithiumwanden echt op gang gekomen.
Wat is het precies?
In een fusiereactor van het tokamak-type (een donutvormige magnetische kooi) wordt het plasma met sterke magneetvelden op afstand van de wanden gehouden. Toch ontsnappen voortdurend deeltjes en warmte naar de rand, vooral op één specifieke plek: de divertor, het onderste deel van de reactor waar overtollige warmte en verontreinigingen worden afgevoerd. Deze plasma-facing components (PFC's, letterlijk: onderdelen die het plasma raken) staan bloot aan de zwaarste belasting van de hele machine.
Bij een vaste wand – meestal van wolfraam, een extreem hittebestendig metaal – leidt langdurig contact met het plasma tot sputteren (het losslaan van losse atomen door invallende deeltjes), tot scheurvorming door thermische spanning en tot geleidelijke schade door invallende neutronen. Eenmaal beschadigd blijft een vaste wand beschadigd; herstel betekent de reactor stilleggen en het onderdeel vervangen.
Een vloeibare lithiumwand omzeilt dit door het oppervlak vloeibaar te houden. Er bestaan grofweg twee hoofdvarianten. De eerste is een capillair poreus systeem: een fijnmazig metalen weefsel of schuim wordt doordrenkt met vloeibaar lithium, dat door capillaire werking – dezelfde kracht die water omhoog laat kruipen in een rietje of stukje vloeipapier – op zijn plek blijft zitten, ook tegen de zwaartekracht in. De tweede is een actief stromend systeem, waarbij lithium continu langs de wand geleid wordt, vaak aangedreven door elektromagnetische pompen, zodat beschadigd of verontreinigd materiaal steeds wordt afgevoerd en vervangen door vers metaal.
Een eenvoudigere, veelgebruikte tussenstap is het aanbrengen van een dunne lithiumcoating via verdamping, met een apparaat dat een lithium-verdamper (LiTER) wordt genoemd. Dat is strikt genomen geen echte vloeibare wand, maar een dun laagje dat de eigenschappen van een onderliggend vast oppervlak tijdelijk verbetert. Het zelfherstellend vermogen van een echte vloeibare wand zit hem hierin: beschadigingen vullen zich als vanzelf weer op, en lithium neemt bovendien waterstofisotopen (deuterium en tritium, de brandstof van fusie) uit het plasma op, wat de opsluiting van het plasma kan verbeteren.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel van fusieonderzoek is een energiecentrale die, net als de zon, energie wint uit het samensmelten van lichte atoomkernen – zonder de langlevende radioactieve afval van kernsplijting en zonder CO2-uitstoot tijdens bedrijf. Maar een werkende reactor moet decennialang, vrijwel ononderbroken, enorme hoeveelheden warmte en deeltjes op de wanden verwerken. Vaste materialen zoals wolfraam houden dat naar verwachting niet vol op de schaal die commerciële centrales vereisen.
Met een vloeibare lithiumwand hopen onderzoekers drie problemen tegelijk aan te pakken. Ten eerste de levensduur: een zichzelf vernieuwend oppervlak hoeft niet periodiek vervangen te worden, wat de beschikbaarheid van een centrale flink kan verhogen. Ten tweede de plasmazuiverheid: lithium heeft een laag atoomnummer, waardoor het – mocht het toch in het plasma terechtkomen – veel minder energie wegstraalt dan zware elementen zoals wolfraam. Verontreiniging met lithium is dus veel minder schadelijk voor de fusiereactie. Ten derde deeltjescontrole: doordat lithium waterstofisotopen opneemt, kan het helpen de dichtheid en zuiverheid van het plasma te reguleren.
Er is ook een strategisch argument. Sommige toekomstige reactorconcepten willen lithium sowieso gebruiken in de zogeheten kweekmantel rond de reactorkern, om via neutronenbestraling nieuw tritium te produceren – de tweede brandstofcomponent, die niet in grote hoeveelheden in de natuur voorkomt. Een vloeibare lithiumwand zou in potentie kunnen samenwerken met zo'n systeem, al zijn dit in de praktijk vooralsnog gescheiden onderzoeksterreinen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Lithium Tokamak Experiment (LTX), gebouwd bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) in de Verenigde Staten, was een van de eerste machines die specifiek ontworpen werd om de binnenwand grotendeels met vloeibaar lithium te bekleden. Rond 2017 werd de machine opgewaardeerd tot LTX-β, met meer verwarmingsvermogen voor het plasma, om de effecten van lithiumwanden bij hogere temperaturen te bestuderen. Onderzoekers als Dick Majeski en Rob Kaita hebben hier decennialang aan bijgedragen.
De Chinese tokamak EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), beheerd door het Institute of Plasma Physics van de Chinese Academy of Sciences (ASIPP) in Hefei, heeft de afgelopen tien jaar uitgebreid geëxperimenteerd met een capillair poreus lithiumsysteem in de divertor, en behoort tot de machines die het langst ononderbroken plasma met lithiumondersteuning hebben vastgehouden.
Bij de Frascati Tokamak Upgrade (FTU) in Italië, van het nationale onderzoeksinstituut ENEA, is in de jaren 2000 en 2010 gewerkt met een vloeibare lithium-limiter (een onderdeel dat de rand van het plasma begrenst), waarmee is aangetoond dat vloeibaar lithium ook bij hoge vermogensdichtheden stabiel kan blijven.
Bij DIII-D, de tokamak van General Atomics in San Diego, zijn experimenten gedaan met lithiumpoeder- en korrelinjectie – in plaats van een volledige vloeibare wand – om te testen hoe lithium de rand van het plasma beïnvloedt. Deze proeven dienden als opstap naar meer uitgebreide vloeibare-wandconcepten.
Voor toekomstige testreactoren zoals het internationale ITER-project in Zuid-Frankrijk wordt vooralsnog vastgehouden aan wolfraam voor de divertor, maar vloeibare-metaalconcepten – waaronder lithium, maar ook tin en lood-lithiumlegeringen – worden serieus onderzocht als optie voor de generatie reactoren daarna, zoals in conceptstudies voor het Europese DEMO-reactorontwerp.
Hoe ver is de techniek?
Vloeibare lithiumwanden zijn met succes gedemonstreerd op kleinere en middelgrote experimentele machines, en de resultaten op gebieden als plasmazuiverheid en opsluitingstijd zijn regelmatig positief. Toch bevindt de techniek zich nog in een vroeg, experimenteel stadium wanneer het gaat om toepassing op de schaal van een echte energiecentrale.
Er zijn meerdere obstakels. Lithium is chemisch erg reactief: het reageert heftig met lucht en vooral met water, wat strenge veiligheidsmaatregelen vereist bij onderhoud en in geval van lekkages. Daarnaast is het beheersen van grote, stromende hoeveelheden vloeibaar metaal in een sterk magnetisch veld technisch lastig, omdat bewegend geleidend materiaal in een magneetveld elektrische stromen en krachten opwekt die de stroming kunnen verstoren – een effect dat bekendstaat als magnetohydrodynamica. Ook de opschaling van de centimeters aan wandoppervlak in een testopstelling naar de tientallen vierkante meters van een toekomstige centrale is grotendeels onbewezen terrein.
De voortgang wordt bovendien beperkt doordat bestaande testfaciliteiten geen realistische neutronenbelasting kunnen simuleren; machines zoals LTX-β en EAST werken met vermogens die relatief laag zijn vergeleken met wat een commerciële reactor zou moeten verwerken. Concrete, gevalideerde ontwerpen voor een volledig vloeibare lithiumwand op reactorschaal bestaan nog niet; het meeste huidige werk is gericht op het beter begrijpen van de onderliggende fysica en het testen van deelcomponenten.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), verbonden aan Princeton University en gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, een van de meest actieve centra op dit gebied, met LTX en LTX-β als belangrijkste experimenten. Ook het Center for Plasma-Material Interactions van de University of Illinois, met onderzoekers als David Ruzic, doet gericht onderzoek naar vloeibare-metaaloplossingen voor de wand-plasma-interactie.
In China voert het Institute of Plasma Physics van de Chinese Academy of Sciences (ASIPP) via de EAST-tokamak grootschalig onderzoek uit naar capillaire lithiumsystemen, gesteund door een Chinees fusieprogramma dat de afgelopen jaren fors is uitgebreid. In Italië heeft het nationale onderzoeksinstituut ENEA met FTU een van de langstlopende reeksen experimenten met vloeibare lithium-limiters uitgevoerd.
Op Europees niveau coördineert EUROfusion, het samenwerkingsverband van Europese fusielaboratoria dat mede door de Europese Unie wordt gefinancierd, onderzoek naar alternatieve wandmaterialen inclusief vloeibare metalen, als onderdeel van de voorbereidingen op het DEMO-reactorconcept. Het internationale ITER-project zelf, gebouwd in Zuid-Frankrijk door een samenwerking van de EU, de VS, China, Rusland, Japan, Zuid-Korea en India, houdt vooralsnog vast aan vaste wandmaterialen, maar ITER-partners volgen het lithiumonderzoek nauwlettend als mogelijke technologie voor de volgende generatie machines.