Het is maar zeer de vraag of een koolstofuitlaat een goede keuze is voor ITER, zelfs in de opstartfase. Die conclusie trok Jeroen Westerhout (27) pas bij het schrijven van zijn proefschrift, geeft hij toe. “Je hebt alle informatie al, maar het rekensommetje heb ik pas op het allerlaatste moment gemaakt.” De afgelopen vier jaar onderzocht hij de impact van botsingen van een heet waterstofplasma met de koolstoftegels waarmee de uitlaat van de nieuw te bouwen fusiereactor ITER in eerste instantie bekleed gaat worden.

ITER werkt als volgt: in een donutvormige reactor wordt waterstofplasma met de ‘zware’ waterstofvarianten deuterium en tritium (de brandstof) in een magneetveld opgesloten. Door botsingen in dit superhete gas (meer dan tien maal zo heet als in het centrum van de zon) smelten de waterstofkernen samen tot heliumkernen. Bij dit proces komt de energie vrij waar het allemaal om begonnen is. ITER is de eerste fusiereactor die meer energie moet opleveren dan erin wordt gestopt: naar verwachting een factor tien.

De binnenwand van ITER is bekleed met beryllium. Vanwege de relatief lage smelttemperatuur is dit materiaal echter ongeschikt voor de uitlaat van de reactor, waar het gevormde helium -het afvalproduct van de fusiereactor- samen met een deel van de waterstofionen tegen de wand aan wordt geleid. De wand van de uitlaat moet daarom van een materiaal zijn dat de extreme omstandigheden in de uitlaat kan weerstaan. Koolstof werd gezien als een goede optie.

In de uitlaat reageert het reactieve waterstof met koolstof tot het vluchtige CH4 (methaan) en CH3. Deze door Westerhout tot in detail bestudeerde chemische erosie is een voor ITER belangrijk proces, dat bepaalt hoe lang ITER heeft voor de testfase voordat de wand is weggeërodeerd. Na de testfase moet de koolstofuitlaat sowieso worden vervangen: men verwacht namelijk dat te veel van het radioactieve tritium, dat pas wordt gebruikt in de operationele fase, in de wand van de reactor zal blijven hangen. En om veiligheidsredenen mag nooit meer dan 700 gram tritium aanwezig zijn in het apparaat.

Koolstof lijkt geschikter voor de testfase dan wolfraam -dat voor de volgende fase is gepland- omdat het verdampt en niet zoals wolfraam gaat smelten boven een bepaalde temperatuur. “Dan komen er druppels in de reactor en dat wil je niet. De efficiëntie van het fusieplasma gaat dramatisch omlaag als er maar een kleine hoeveelheid wolfraam in je plasma komt.”

Westerhout wilde weten wat er precies met koolstof gebeurt als je het blootstelt aan een plasma met een hoge flux (veel deeltjes) bij een relatief lage temperatuur. Dat zijn omstandigheden die niet haalbaar zijn in de kleine fusiereactors die op diverse plekken in de wereld ter voorbereiding van ITER zijn gebouwd.

Daarom is in Rijnhuizen een lineaire plasmaversneller gebouwd, Pilot-PSI (PSI staat voor Plasma-Surface Interaction), die de omstandigheden ter plekke van de uitlaat van ITER beter nabootst dan welk experiment in de wereld dan ook, vertelt Westerhout. Met de aan de TU/e ontwikkelde plasmabron (de cascadeboog) kunnen -in combinatie met een sterk magneetveld- hoge deeltjesstromen worden bereikt. Daarbij is de Pilot-PSI “lekker flexibel”, volgens Westerhout. “Het is een geweldig apparaat. Je kunt in de PSI overal bij.” Pilot-PSI is ook niet zo groot. De afstand tussen de bron het koolstoftarget is slechts een halve meter.

Nadeel van Pilot-PSI is wel dat de plasmabundel relatief smal is: de effecten van de redepositie (het opnieuw hechten van de losgekomen koolstofatomen) op het koolstoftarget zijn beperkt. “Van die redepositie verwachten sommige mensen binnen ITER nogal veel: misschien wel een factor honderd in levensduur, omdat 99 procent weer terug zou slaan op de wand. Het is echter maar zeer de vraag in hoeverre die aanname klopt.”

Maximaal veertig uur houdt de koolstofwand het vol, zegt Westerhout, als je geen rekening houdt met redepositie van koolstof op de wand. En dat is alleen bij de laagst mogelijke temperatuur van het plasma. Maak je dat ook maar iets warmer, dan heb je nog maar vier uur over. En dat is wel heel kort, zeker omdat ITER volgens de planning de eerste jaren met een koolstofuitlaat zou draaien. Het zou reden zijn om de koolstoffase maar helemaal over te slaan en meteen op een ander materiaal, zoals wolfraam dus, over te schakelen.

De opvolger van Pilot-PSI, Magnum-PSI, krijgt supergeleidende spoelen, een bredere plasmabundel en betere diagnostieken. Deze machine, die nog dit jaar gereed moet komen, kan continu draaien en is beter geschikt voor het bestuderen van redepositie.

Westerhout detecteerde de vrijgekomen koolstofverbindingen door het licht dat ze uitzenden op te vangen. En deed daarbij een belangrijke ontdekking. “De verwachting was dat er bij deze lage temperatuur geen licht zou worden uitgezonden omdat de botsingen tussen CH en de elektronen niet hard genoeg zijn. Maar onder invloed van een ander proces, dissociatieve recombinatie, wordt toch licht uitgezonden. Dat is belangrijk voor de kalibratie van de metingen die voor ITER zijn gepland.” Als ze ondanks Westerhouts bevindingen toch voor koolstof kiezen, tenminste. “Ik zou zeggen dat je misschien meer moet kijken naar alternatieve materialen naast wolfraam, zoals siliciumcarbide. Dat zou ik graag zelf doen.” (TJ)/.