De binnenkant van een fusiereactor is een plaats van geweld en chaos. Een nieuwe, koud gespoten coating absorbeert warmte en houdt tegelijkertijd enkele van de weerbarstige waterstofdeeltjes vast, wat mogelijk zorgt voor kleinere, betere plasmakamers. Terwijl fusie-energie zich nog in de experimentele fase bevindt, laat de lancering van 's werelds grootste en meest geavanceerde tokamak-fusiereactor deze maand in Japan zien dat de technologie zich ontwikkelt van theorie naar realiteit.

Bij een fusiereactie wordt geïoniseerd waterstofgas, plasma genoemd, onderworpen aan druk en hitte die gelijkwaardig is aan de druk en hitte in het centrum van de zon. Dit zou ertoe leiden dat atoomkernen smelten en enorme hoeveelheden schone energie vrijkomen.

Het creëren van kamers die het plasma bevatten dat nodig is voor kernfusie is een uitdaging geweest vanwege de extreem hoge hitte- en drukniveaus die nodig zijn. Een ander probleem met het proces is dat waterstofatomen soms geneutraliseerd worden en uit het plasma ontsnappen, waardoor de energie van het plasma verzwakt.

"Deze waterstofneutrale deeltjes veroorzaken energieverliezen in het plasma, wat het zeer uitdagend maakt om een ​​heet plasma te behouden en een efficiënte kleine fusiereactor te hebben", zegt Mykola Ialovega, een postdoctoraal onderzoeker in kerntechniek en technische natuurkunde aan UW-Madison. Ialovega leidt het onderzoek naar een coating die het vermogen heeft aangetoond om draden in de holtes van fusiereactoren te laten lopen en deze weerbarstige waterstof op te vangen.

De coating is gemaakt van het metaal tantaal en is bestand tegen extreem hoge temperaturen. Tantaal wordt koud op roestvrij staal gespoten en presteert uitzonderlijk goed onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met kernfusie.

Tijdens het koude spuitproces worden tantaaldeeltjes op het roestvrij staal gespoten en als pannenkoeken platgedrukt. De onderzoekers ontdekten dat zelfs wanneer ze op deze manier worden samengedrukt, er nog steeds een kleine grens tussen elk deeltje zit, wat een ideaal kanaal is om onstabiele waterstofdeeltjes op te vangen. Wanneer het gespoten staal wordt blootgesteld aan hogere temperaturen, komen de opgesloten waterstofdeeltjes vrij, waardoor het materiaal feitelijk wordt vernieuwd zodat het opnieuw kan worden gebruikt.

Het team prees de coating niet alleen vanwege zijn vermogen om herhaaldelijk waterstof op te vangen en vrij te geven terwijl hij bestand is tegen hoge temperaturen en druk, maar ook vanwege het gebruiksgemak.

"Een ander groot voordeel van de koudspuitmethode is dat we reactoronderdelen kunnen repareren door ter plaatse nieuwe coatings aan te brengen. Momenteel moeten beschadigde reactoronderdelen vaak worden ontmanteld en vervangen door volledig nieuwe, wat duur en tijdrovend is", aldus Ialovega.

Het team is van plan de coating te gebruiken op de Wisconsin HTS Axissymetrische Spiegel (WHAM), een experimenteel apparaat dat mogelijk zou kunnen worden gebruikt in een fusiecentrale van de volgende generatie, gepland door RealtaFusion, een spin-out van UW-Madison.

Oliver Schmitz zei: "Het creëren van een vuurvast metaalcomposiet met goede waterstofhanteringseigenschappen, corrosieweerstand en algemene materiaalelasticiteit is een doorbraak voor het ontwerp van plasma-apparaten en fusie-energiesystemen. Het veranderen van de legering en het toevoegen van andere vuurvaste metalen om het composietmateriaal te verbeteren is bijzonder spannend voor nucleaire toepassingen."

Schmitz, hoogleraar kerntechniek en technische natuurkunde aan UW-Madison, is co-auteur van een artikel waarin de bevindingen worden beschreven, dat werd gepubliceerd in het tijdschrift PhysicaScripta.