Videnskabsfolk og ingeniører fra hele Verden samarbejder i disse år om at designe et fusionskraftværk kaldet DEMO. Wolfgang Pantleon fra Danmarks Tekniske Universitet er med. Han forsker i, hvad væggenes beskyttende overflademateriale skal bestå af nær den glødende, lille sol, der skal svæve frit inde i hjertet af anlægget. Vi taler om materiale til de mest udsatte områder på indervæggene i reaktoren.
DEMO bliver det første kraftværk i Europa, der skal levere strøm til el-nettet baseret på fusionsenergi. Målet er at demonstrere, at det kan lade sig gøre i praksis. Fusionsenergi er et af fremtidens håb til en ny, klimavenlig energiproduktion. Wolfgang Pantleon fra Institut for Mekanisk Teknologi på DTU fortæller, at Europa har den ledende rolle i projektet.
Wolfgang forklarer: ”De områder på de indre vægge i reaktorens kammer, som jeg arbejder med, bliver op til 1125 °C varme. Derudover bliver de konstant bombarderet med kraftig neutronstråling. Disse ekstreme forhold skal kammerets vægge, på de særlige udsatte områder, kunne klare. Jeg beskæftiger mig med at finde et beskyttende materiale til vægoverfladen på disse steder”. Og der er store krav til materialet.
Det beskyttende materiale skal for det første bestå af tunge atomer. Lette atomer, som fx kulstof, vil blive slået ud af materialet af de superhurtige neutroner, der banker ind på det. De superhurtige neutroner skabes ved selve kernefusionen, som foregår ved meget høje temperaturer”, siger Wolfgang.
Endvidere fortæller han, at materialet til det beskyttende lag skal have høj varmeledningsevne. Varmen skal hurtigt kunne ledes væk fra kammerets indre, så væggene ikke bliver for varme. Derudover skal materialet have en høj smeltetemperatur.
Materialet må ikke blive sprødt
Materialet til det beskyttende lag skal altså vælges med omhu. Ud over at materialet skal være opbygget af tunge atomer, have en høj smeltetemperatur og stor evne til at lede varmen væk fra kammeret, må materialet ikke blive ”sprødt”, når det gentagne gange: Varmes op, forbliver nogle måneder ved høje temperaturer og afkøles igen. Hvis et materiale er sprødt, medfører det, at det nemt sprækker eller knækker, hvis det fx nedkøles.
”Det var netop, hvad der skete for flere af de amerikanske såkaldte Liberty-skibe under 2. Verdenskrig. Da de kom ud i det kolde Atlanterhav, knækkede enkelte af dem midt over. Stålet i skibet var blevet sprødt under fremstillingsprocessen. Da det sprøde stål blev nedkølet yderligere i det kolde vand af Atlanterhavet, revnede det”, fortæller Wolfgang.
Reaktoren bliver nedkølet, når den ind i mellem skal holde pauser - fx. hvis den skal vedligeholdes. Materialet på indervæggene skal kunne klare denne nedkøling.
Hvad skal væggene bestå af?
Det er sin sag at finde et materiale til de særligt udsatte steder i kammerets vægge. Så kommer der endda et krav mere: Der helst skal være rigeligt af det på Jorden. ”Faktisk er der kun fem grundstoffer tilbage ud af de 118 grundstoffer i det periodiske system, der kan opfylde disse krav”, smiler Wolfgang, mens han kommer med det sidste krav til beskyttelsesmaterialet, hvilket i øvrigt gælder for hele DEMO-kraftværket:
”Materialet skal kunne bortskaffes igen”. Vi vælger vores materialer sådan, at når der er gået 100 år, kan de smides på deponi eller genbruges. På det tidspunkt må affaldet ikke være radioaktivt. Vi vil ikke have affaldsproblemer som ved traditionelle atomkraftværker. Materialer fra fusionsreaktorer må ikke belaste kommende generationer, siger Wolfgang, og peger på det eneste stof i det periodiske system, der er tilbage som mulighed for beskyttende materiale til de særligt udsatte områder på kammerets indervægge: Grundstoffet wolfram, nummer 74 i det periodiske system.
En plade af wolfram. Foto: ©Karina Goyle
Materialet er ikke godt nok
Wolfram kan opvarmes og nedkøles til stuetemperatur uden at blive sprød. Men men men … hvis wolfram er ved høje temperaturer i for lang tid, bliver det alligevel sprødt, når det kommer ned under 400 °C. Årsagen er, at der er sket ændringer i materialets opbygning. Wolfgang fortsætter: ”Nu arbejder jeg på at forhindre, at wolfram bliver sprød, så vi undgår, at det revner under afkøling til stuetemperatur”. Hans løsning er at tilsætte forskellige urenheder ind i wolframs gitterstruktur, blandt andet kalium eller yttriumoxid for på den måde at undgå strukturændringer.
Gåden ved den kinesiske plade
Wolfgangs største håb er dog en særlig plade af wolfram fra Kina, han er stødt på. Den opfører sig helt anderledes end alle de andre valsede plader, han undersøger. Det tyder på, at denne særlige plade ikke bliver sprød selv efter lang tid ved høj temperatur.
Wolfgang undrer sig: ”Producenten oplyser ikke, hvordan pladen præcist er valset, men den opfører sig helt anderledes end andre. Jeg formoder, at den er blevet opvarmet en ekstra gang i produktionsprocessen. Det har ført til den ændring i strukturen, vi kan se i pladen, og som er årsagen til dens højere stabilitet.”
En kamp med tiden
Det nye wolfram-materiale skal findes inden for syv år, for at ingeniører kan fortsætte med at designe reaktorens kammer og resten af anlægget. Alle ved, at det haster med at gøre noget for at stoppe klimaforandringerne. Så Wolfgang må videre i sit arbejde med at designe et materiale med de ønskede egenskaber.
Vil du være med?
Skal du i gang med at studere, kan du, i mange år endnu, nå at være med til at udvikle DEMO fusions-kraftværket. Materialefysik, som er beskrevet her, er blot én af de mange teknisk- og naturvidenskabelige discipliner, som er nødvendige for at realisere fusionsenergi. DEMO skal først stå færdigt i 2051, og mange ideer og ny viden skal fødes af kommende generationer af fusionsforskere inden da.
Af videnskabsjournalist Karina Goyle, Science Kommunikation, december 2021