Praktische fusie-energie is niet alleen een droom in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy. Experts op het gebied van kernfusie en materiaalwetenschap werken samen om oplossingen te ontwikkelen die een proeffabriek voor kernfusie - en uiteindelijk koolstofvrije, overvloedige kernfusie-elektriciteit - mogelijk maken.

Als hoofd van de afdeling Fusion Nuclear Science, Technology and Engineering van het laboratorium is Chuck Kessel bekend met de materiaaluitdagingen die moeten worden aangepakt om een ​​energiecentrale te bouwen. Voor een medewerker hoefde Kessel niet verder te zoeken dan Bruce Pint, hoofd van ORNL's Corrosion Science and Technology Group.

Pint bestudeert al tientallen jaren corrosiebestendige materialen bij hoge temperaturen voor toepassingen voor stroomopwekking. Zijn werk was vooral gericht op corrosie en oxidatie van gas-metaal of legeringen voor kolen-, gas- en kerncentrales. Het onderzoeken van corrosieve vloeistoffen in de context van fusie-energie is een andere en grotere uitdaging.

"Het is een beetje wetenschap en een beetje kunst dat in het geheel past," zei Pint.

Een cruciale uitdaging voor fusie is hoe tritium kan worden geproduceerd en teruggewonnen, een zware waterstofisotoop die, samen met zijn lichtere neef deuterium, zal dienen als brandstof voor de fusiereactoren van morgen.

In een fusiereactie worden deze isotopen in een plasma verwarmd tot zonachtige temperaturen waar ze botsen om helium en een neutron te vormen, waarbij energie vrijkomt in de vorm van kinetische energie. Door die versnellende neutronen op het meer gebruikelijke metaal lithium te richten, kunnen wetenschappers tritium produceren in de reactor zelf.

Een veelbelovende strategie voor het produceren van tritium in een fusiereactor omvat het kanaliseren van vloeibaar lood-lithium door de reactor "deken" - de binnenwanden die zijn gemaakt van gespecialiseerd staal met siliciumcarbide stroomkanaalinzetstukken. Er is echter een addertje onder het gras:de aanhoudende stroom lood-lithium zal geleidelijk het staal wegvreten. Het minimaliseren van die corrosie is een cruciale stap voor een levensvatbare kernfusiecentrale.

"Dit type deken, waar een vloeibare kweek doorheen stroomt en deze materialen corrodeert, wordt fundamenteel beperkt door dit corrosiemechanisme," zei Kessel.

Marie Romedenne, die vloeibare metalen studeerde voor haar doctoraat en in 2019 bij ORNL kwam werken, helpt Pint en leert meer over de ORNL-experimentele methoden voor vloeibare metalen die sinds de jaren vijftig worden gebruikt.

Veel factoren dragen bij aan de corrosiesnelheid, waaronder de samenstelling van de blootgestelde materialen; hoe lang het wordt blootgesteld; hoe snel de vloeistof stroomt; de sterke magnetische velden die worden gebruikt om het plasma te controleren en te beperken; de temperatuur; en onzuiverheden in het systeem. Deze corrosie-uitdaging gaf Pint en Romedenne de kans om verschillende experimenten in kaart te brengen die ontworpen waren om deze factoren te ontwarren en tegelijkertijd dichter bij de omstandigheden van een echte fusiereactor te komen.

Het team bouwde een reeks stroomlussen die materialen testten onder verschillende omstandigheden, waaronder temperaturen tot 700 graden Celsius. In de lus plaatsten de wetenschappers monsters van een staal vergelijkbaar met wat zou worden gebruikt voor componenten in een fusie-apparaat, plus exemplaren van siliciumcarbide. Volgens de huidige fusieontwerpen vermindert het siliciumcarbide de drukval in de lood-lithiumstroom door de vloeistof elektrisch te isoleren van de stalen wanden. Deze benadering ondersteunt de drie materialen die naast elkaar bestaan ​​en op elkaar inwerken, waarbij het lood-lithium bemiddelt tussen het staal en siliciumcarbide.

Na elk experiment van 1000 uur werden de monsters getest om te zien of ze bros waren geworden en hoeveel massa er verloren was gegaan door oplossing in het vloeibare loodlithium of, als alternatief, toegevoegd door nieuw gevormde verbindingen.

In het eerste experiment ontdekten Pint en Romedenne dat ijzer en chroom uit het staal oplosten in de vloeistof, die vervolgens reageerde met de siliciumcarbidemonsters om intermetallische verbindingen, siliciden en ijzer- en chroomcarbiden te vormen. Terwijl deze nieuw gevormde verbindingen door de lus stroomden, verzamelden ze zich op de siliciumcarbidemonsters in het koelere uiteinde van de lus, wat resulteerde in een relatief dikke laag.

"Het was eigenlijk behoorlijk spectaculair - een paar honderd micron dik," zei Pint. "Ik dacht dat het een beetje zou reageren. Ik had niet verwacht dat het zo veel zou reageren."

Pint en Romedenne ontdekten ook dat het verlagen van de hoge temperatuur van de lus van 700 naar 650 graden Celsius resulteerde in een veel langzamere opbouw van de nieuw gevormde verbindingen.

"Als je alleen siliciumcarbide hebt en je hebt geen bron van ijzer en chroom om in de vloeistof te doen, zul je deze reactie niet zien," zei Pint. "Niemand had eerder alle stukjes in elkaar gezet."

Terwijl ijzer en chroom reageerden met het siliciumcarbide, corrodeerde het lood-lithium de stalen exemplaren dramatisch. "Ze waren er amper toen de test voorbij was," zei hij.

In het tweede experiment bedekte het team het staal met een dunne laag aluminium om het te beschermen tegen de bijtende vloeistof, de eerste keer dat dit werd gedaan in een vloeiend experiment. De resultaten, zei Pint, waren bemoedigend.

"Er is nog steeds sprake van corrosie, zelfs toen we probeerden alles zoveel mogelijk dicht te knopen", zei Pint. "Maar we hebben de zaken op een beter beheersbaar niveau gebracht. Geen van onze gecoate stalen exemplaren was significant aangetast."

In komende experimenten zijn Pint en Romedenne van plan om een ​​dunnere laag aluminium te gebruiken om te minimaliseren hoeveel van dat element in het systeem terechtkomt. Ze zijn ook van plan om de duur van experimenten te verdubbelen tot 2.000 uur om de groei van de reactantlaag aan de koude kant van de lus beter te bestuderen.

Om de grenzen van hun experimentele loops te overschrijden, gebruikt Romedenne modellen en simulaties om de corrosielevensduur van fusiematerialen te voorspellen bij industriële duur - 50.000 uur of meer. Maar voortdurende experimenten en nieuwe testomgevingen zijn nodig om deze modellen te valideren en te verbeteren.

Kessel legt nu de basis voor de ontwikkeling van een geavanceerde stroomlus, die magneten zou bevatten om de impact van magnetische velden op corrosiesnelheden te helpen meten.

"We willen een zo prototypisch mogelijke omgeving creëren om echte oplossingen voor een fusie-pilotinstallatie te identificeren, demonstreren en optimaliseren", zei Kessel. + Verder verkennen

Het selecteren van de juiste structurele materialen voor fusiereactoren