RF-Specific Tungsten Erosion and Global Transport in ITER under Neon Seeding

Binnen de enorme, donutvormige machine die een fusiereactor wordt genoemd, proberen wetenschappers de kracht van de zon na te bootsen. Om dit te doen, moeten ze een wolk gas, genaamd plasma, verhitten tot temperaturen die veel heter zijn dan de kern van de zon. Een van de krachtigste hulpmiddelen om dit plasma te verhitten is een systeem dat het bestookt met hoogfrequente radiogolven, vergelijkbaar met de energie die gebruikt wordt in een magnetron, maar dan op een totaal andere schaal. Deze krachtige golven kunnen echter soms onvoorspelbaar gedrag vertonen wanneer ze de metalen wanden van de reactor raken. Net zoals een radiosignaal statische ruis op een luidspreker kan veroorzaken, kunnen deze golven sterke elektrische velden direct aan het oppervlak van de componenten van de machine opbouwen. Als deze velden te sterk worden, kunnen ze fungeren als een gewelddadige versneller, die atomen van de reactorwanden tegen het plasma aan smijten en de reactie potentieel vergiftigen.

De International Thermonuclear Experimental Reactor, oftewel ITER, is de grootste poging ter wereld om een werkende fusiecentrale te bouwen. Het zal een speciaal metaal genaamd wolfraam gebruiken voor de binnenwanden, omdat dit metaal extreme hitte kan weerstaan. Maar wolfraam is zwaar, en zelfs een minuscule hoeveelheid ervan die in het superhete plasma zweeft, kan de reactie afkoelen en de energieproductie stoppen. Wetenschappers weten al lang dat de radiogolven die worden gebruikt om het plasma te verhitten, de wolfraamwanden kunnen doen slijten, maar ze misten een volledig beeld van precies hoeveel schade er zou ontstaan of waar het weggesleten materiaal terecht zou komen. Een nieuwe studie door onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory, de ITER Organization en verschillende andere instituten heeft eindelijk deze ontbrekende stukjes ingevuld. Door een geavanceerd computermodel te bouwen dat de gehele reactormgeving simuleert, hebben zij voorspeld hoe de radiogolven precies interageren met de wanden en hoeveel wolfraam er zal eroderen onder de specifieke omstandigheden die ITER van plan is te gebruiken.

De onderzoekers concentreerden zich op een scenario waarin de reactor gevuld is met neongas, een techniek die wordt gebruikt om de intense hitte die uit het plasma stroomt te beheersen. In deze omgeving creëren de radiogolven een complex, onzichtbaar elektrisch veld direct naast de antenne die de golven in het plasma stuurt. Dit veld werkt als een helling, die ionen — geladen atomen van het neongas en de brandstof zelf — naar de wolfraamwanden versnelt. Wanneer deze snel bewegende ionen de wand raken, slaan ze wolfraangatomen los. Het team gebruikte een gedetailleerd simulatieframework genaamd STRIPE om dit proces van begin tot eind te volgen. Ze combineerden een model van de plasmaflow met berekeningen over hoe de radiogolven zich gedragen, hoe de ionen versnellen en hoe de weggeslagen wolfraatomen door de machine bewegen.

De resultaten van de simulatie waren opmerkelijk. Onder invloed van de radiogolven kunnen de elektrische velden nabij de antennewanden spanningen bereiken van wel 3.000 volt. Dit is veel hoger dan de natuurlijke elektrische velden die in het plasma aanwezig zijn zonder de radiogolven. Door deze extra duw neemt de hoeveelheid wolfraam die van de wanden wordt afgestoten drastisch toe. De studie vond dat de totale hoeveelheid wolfraam die erodeert bij het antennegebied ongeveer 64 keer groter is dan wanneer de radiog waves niet aanwezig zouden zijn. Dit creëert een bron van ongeveer 3,34 biljard (3,34 x 10^15) wolfraatomen per seconde. Maar het verhaal eindigt niet bij de erosie. De onderzoekers volgden ook waar deze atomen naartoe gingen. Ze ontdekten dat ongeveer 90 procent van het geërodeerde wolfraam het directe gebied verlaat en de rest van de reactor in reist, terwijl slechts ongeveer 10 procent vlakbij de wand terug landt.

Misschien wel de meest verrassende bevinding was niet alleen hoeveel wolfraam er verloren ging, maar wat de boosdoener was bij het wegslaan. Wetenschappers hadden aangenomen dat de meest hooggeladen neonatomen de hoofdschuldigen zouden zijn, omdat zij de meeste snelheid zouden winnen uit de elektrische velden. In plaats daarvan toonde de simulatie aan dat een mix van neonatomen met een lage tot gemiddelde lading verantwoordelijk was voor het merendeel van de schade. Dit kwam doordat er simpelweg veel meer van deze matig geladen atomen tegen de wand botsten, ook al raakte elk individueel atoom de wand met minder kracht dan de hooggeladen atomen. De studie onthulde ook dat de locatie van de ergste schade niet exact was waar het elektrische veld het sterkst was. De erosie was het hoogst waar het sterke elektrische veld overlapte met een hoge dichtheid aan inkomende plasma-deeltjes. Het was de combinatie van een sterke duw en een grote menigte deeltjes die voor de meeste slijtage zorgde, in plaats van het elektrische veld alleen.

Ondanks de enorme toename van erosie veroorzaakt door de radiogolven, concludeerden de onderzoekers dat deze specifieke bron van wolfraam waarschijnlijk niet het belangrijkste probleem voor de reactor zal vormen. Toen ze de hoeveelheid wolfraam die uit de antenne komt vergeleken met de hoeveelheid die uit de rest van de reactorwanden komt, was de bijdrage van de antenne minuscuul. De erosie door de antenne was ongeveer 1.000 keer kleiner dan de erosie van de onderkant van de reactor (de divertor) en meer dan 100 keer kleiner dan de erosie van de wanden van de hoofdcamera. Zelfs met de radiogolven die de antenne tot een veel actievere bron van wolfraam maken, blijft de totale hoeveelheid metaal die via dit gebied het plasma binnendringt klein genoeg zodat deze de algehele vervuiling van de reactor niet zal domineren.

De studie onderzocht ook hoe de wolfraatomen door de reactor bewegen nadat ze zijn losgeslagen. Na slechts een fractie van een seconde werd 22 procent van de mobiele wolfraatomen die het plasma waren binnengekomen, aangetroffen in het afgesloten gebied waar de fusie-reactie plaatsvindt. Dit komt overeen met een zeer lage concentratie, wat suggereert dat de natuurlijke stroming van het plasma effectief is in het verdunnen van deze onzuiverheden. Het werk laat zien dat het voorspellen van het gedrag van een fusiereactor vereist dat men naar het hele systeem tegelijk kijkt. Je kunt niet simpelweg berekenen hoeveel een wand op één plek erodeert; je moet begrijpen hoe de radiogolven, de plasmaflow, de magnetische velden en de beweging van onzuiverheden allemaal met elkaar interageren. Door deze verschillende fysieke processen succesvol aan elkaar te koppelen, hebben de onderzoekers een krachtig nieuw instrument voor het ontwerp van toekomstige reactoren geboden. Hun bevindingen suggereren dat hoewel de radiogolven voor aanzienlijke lokale slijtage aan de antenne zullen zorgen, ze de reactor niet zullen overspoelen met wolfraam, wat ingenieurs het vertrouwen geeft dat het ITER-ontwerp deze interacties effectief kan beheersen.