"Deze waterstofneutrale deeltjes veroorzaken energieverliezen in het plasma, wat het erg lastig maakt om een ​​heet plasma in stand te houden en een effectieve kleine fusiereactor te hebben", zegt Ialovega, die werkt in de onderzoeksgroep van Oliver Schmitz, hoogleraar kerntechniek en technische natuurkunde.

Daarom wilden de onderzoekers een nieuw oppervlak creëren voor naar plasma gerichte reactorwanden, waar waterstofdeeltjes zouden kunnen worden opgevangen als ze tegen de wanden botsen.

Tantaal is van nature goed in het absorberen van waterstof, en de onderzoekers vermoedden dat het creëren van een tantaalcoating met behulp van een koud spuitproces het vermogen om waterstof vast te houden nog verder zou vergroten.

Het maken van een koudgespoten coating lijkt enigszins op het gebruik van een blik spuitverf. Het bestaat uit het met supersonische snelheden op een oppervlak stuwen van deeltjes van het coatingmateriaal. Bij een botsing worden de deeltjes plat als pannenkoeken en bedekken ze het hele oppervlak, terwijl de grenzen op nanoschaal tussen de coatingdeeltjes behouden blijven. De onderzoekers ontdekten dat deze kleine grenzen het opvangen van waterstofdeeltjes vergemakkelijken.

Ialovega voerde experimenten uit met het gecoate materiaal in faciliteiten van de Aix Marseille Universiteit in Frankrijk en Forschungszentrum Jülich GmbH in Duitsland. Tijdens deze experimenten ontdekte hij dat wanneer hij het materiaal tot een hogere temperatuur verwarmde, het de opgesloten waterstofdeeltjes uitdreef zonder de coatings te wijzigen – een proces dat het materiaal feitelijk regenereert, zodat het opnieuw kan worden gebruikt.

"Een ander groot voordeel van de koudspuitmethode is dat we reactoronderdelen ter plaatse kunnen repareren door een nieuwe coating aan te brengen", zegt Ialovega. "Momenteel moeten beschadigde reactoronderdelen vaak worden verwijderd en vervangen door een volledig nieuw onderdeel, wat kostbaar en tijdrovend is."

De onderzoekers zijn van plan hun nieuwe materiaal te gebruiken in de Wisconsin HTS Axissymetrische Spiegel (WHAM). Het experimentele apparaat is in aanbouw nabij Madison, Wisconsin, en zal dienen als prototype voor een toekomstige fusie-energiecentrale van de volgende generatie die UW-Madison spin-off Realta Fusion wil ontwikkelen. Het WHAM-experiment, gehuisvest in het Physical Sciences Laboratory, is een partnerschap tussen UW-Madison, Massachusetts Institute of Technology en Commonwealth Fusion Systems.

"Het creëren van een vuurvast metaalcomposiet met deze kenmerken van goed gecontroleerde waterstofbehandeling gecombineerd met erosieweerstand en algemene materiaalveerkracht is een doorbraak voor het ontwerp van plasmaapparaten en fusie-energiesystemen", zegt Schmitz. "Het vooruitzicht om de legering te veranderen en andere vuurvaste metalen op te nemen om het composiet voor nucleaire toepassingen te verbeteren is bijzonder opwindend."

Meer informatie: Mykola Ialovega et al., Eerste studie naar de thermische stabiliteit van tantaalcoating met koude spray bestraald met deuterium voor fusietoepassingen, Physica Scripta (2023). DOI:10.1088/1402-4896/ad0098

Aangeboden door Universiteit van Wisconsin-Madison