Heter dan de zon

7 maart 2017 door Kurt Lejaeghere in Fysica

Sinds een paar jaar waart een nieuw spook door het Belgische energielandschap: het winterse stroomtekort. Zonder nieuwe investeringen in elektriciteitsproductie kan onze stroomvoorziening in gevaar komen. Het is moeilijk een alternatief te bedenken dat net als kernsplijting altijd beschikbaar is en even grote hoeveelheden energie oplevert. Kernfusie biedt mogelijk de oplossing: door lichte atoomkernen samen te voegen (en niet te splijten) komt een nog grotere energie vrij, zonder dat daarbij veel langlevend radioactief afval achterblijft. Toch is kernfusie nog niet voor morgen. Een van de hinderpalen is de vraag om een materiaal dat de hitte van de kernreactie kan inperken.

Kernfusie vereist temperaturen die zelfs de zon een koele schaduwplek doen lijken: ongeveer 100 miljoen graden. Ter vergelijking: in het binnenste van de zon wordt het "slechts" een schamele 15 miljoen graden warm. Geen materiaal op aarde kan zo'n hitte indammen. Gelukkig bedachten Russische wetenschappers in de jaren '50 een eenvoudige maar ingenieuze methode om het nooit zo ver te laten komen. Ze gebruikten magnetische velden om de hete stroom materie, het plasma, in de reactor vast te houden, zonder dat die ooit de randen raakt. Op die manier wordt de reactorwand niet warmer dan een 900°C. Af en toe veroorzaakt een kleine opstoot van het plasma een grotere warmtepiek. Om ook die omstandigheden te weerstaan, lijkt wolfraam het meest aangewezen materiaal. Het heeft de hoogst bekende smelttemperatuur van alle zuivere metalen op aarde, 3422°C. Helaas is wolfraam ook heel bros. Beneden de 900°C laat het metaal weinig rek toe, waarna het onverbiddelijk barst.

In mijn doctoraatswerk onderzocht ik hoe legeren, het toevoegen van andere elementen aan wolfraam, die brosheid kan milderen. Ik simuleerde voor twintig elementen in verschillende verhoudingen en combinaties wat de invloed op de smelttemperatuur en de brosheid van wolfraam was. Bovendien is het ook van belang dat de prijs niet al te veel de pan uitswingt.

Wolfraam

Tijdens het doctoraatsonderzoek werd wolfraam telkens gecombineerd met twee andere metalen (links). Daarbij werd de meest stabiele structuur geselecteerd (midden), waarna eigenschappen als sterkte (rechtsboven) en elektronische structuur bepaald werden (rechtsmidden en -onder).

Door die drie criteria samen te nemen tekent zich al snel een trend af. Tegelijk toevoegen van zogenaamde vroege en late transitiemetalen aan wolfraam, zoals hafnium of zirconium en zilver of zink, blijkt een ideale balans tussen sterkte en soepelheid op te leveren. Nu is het nog wachten tot deze bevindingen ook in experimenten bevestigd worden.

Kurt Lejaeghere werd genomineerd voor de Eos Pipet 2016. Stemmen op de publieksprijs kan nog tot 15 maart 2017 op https://www.eoswetenschap.eu/wetenschap/op-weg-naar-een-gouden-standaard.

Een reactie geven