Studenten Open Dag DIFFER

Transcriptie

1

2 FOM Instituut DIFFER Edisonbaan MN Nieuwegein Postbus 1207, 3430 BE Nieuwegein T (Algemeen) T (Secretariaat Open dagen) T (Coördinator) F Pagina van 10

3 Inhoud FOM Instituut DIFFER Over DIFFER Ontvangst Keuzemogelijkheden Toelichting op de te kiezen experimenten en groepen Plasmawand interactie: Pilot-PSI Plasmawand interactie: Magnum-PSI, recordplasma's voor de ITER-wand Optiek voor Extreem Ultraviolet licht: Physics of thin films & multilayers De groep Elektronica en ICT Mechanische Techniek Het Fusie Informatie Centrum Over DIFFER Afstappen van fossiele brandstoffen en een steeds grotere wereldbevolking voorzien van schone, duurzame energie is dé uitdaging van de 21ste eeuw. Daarom richt het FOM-instituut DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) in Nieuwegein zich sinds 2012 op de ontwikkeling van fundamentele kennis die nodig is voor de ontwikkeling van nieuwe energiebronnen. Tot 2012 stond DIFFER bekend onder de naam FOM-Instituut Rijnhuizen. In 2012 veranderde het instituut zijn missie in Science for Future Energy om zich te richten op onderzoek naar kernfusie en solar fuels: nieuwe methodes om duurzame energie op te wekken en op te slaan. Het instituut doet onderzoek met collega-onderzoekers en met het bedrijfsleven en ontwikkelt grote high-tech installaties voor zijn experimenten. Ook werkt DIFFER samen met het bedrijfsleven aan slimme optica voor de nieuwe generatie computerchipfabricage. Naast het eigen onderzoek zoekt DIFFER een nationaal coördinerende rol in funderend energieonderzoek. DIFFER is een van de drie onderzoeksinstituten van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en is onderdeel van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Pagina van 10

4 Programma Studenten Open Dag De begintijd van de Studenten Open Dag voor de deelnemers van uw onderwijsinstelling en de precieze dagindeling is afhankelijk van hoeveel groepen studenten zich hebben aangemeld. U wordt hierover tijdig geïnformeerd. Ontvangst Na ontvangst met een kopje thee of koffie bestaat het programma voor de Studenten Open Dag op DIFFER uit de volgende onderdelen: het bijwonen van een voordracht over onze onderzoeksgebieden een bezoek aan drie experimenten en/of groepen een bezoek aan het Fusie Informatie Centrum een lunch U kunt op het aanmeldingsformulier uw voorkeur aangeven voor de experimenten en/of groepen die u wilt bezoeken. Wij proberen bij het opstellen van het programma zoveel mogelijk rekening te houden met uw voorkeur, maar kunnen niet garanderen dat we aan alle wensen kunnen voldoen. Elk programma van de Open Dag opent met een korte presentatie over het instituut. Na de rondleiding staan onze medewerkers in het Fusie Informatie Centrum (zie pagina 10) klaar om openstaande vragen te beantwoorden. Keuzemogelijkheden U kunt een keuze maken uit de hier onderstaande experimenten en/of groepen. Kiest u maximaal drie onderdelen. Op de volgende pagina s vindt u een toelichting op deze onderdelen. 1. Plasma-wand interactie: Magnum-PSI 2. Plasma-wand interactie: Pilot-PSI 3. Optiek voor Extreem Ultraviolet licht: Physics of thin films & Multilayers 4. Elektronica en ICT, onderverdeeld in de afdelingen: 4.1 Elektronica 4.2 Vermogenselektronica 4.3 ICT Software Group 5. Mechanische techniek, onderverdeeld in: 5.1 Tekenkamer 5.2 Fijnmechanische techniek 5.3 Vacuümsoldeergroep Pagina van 10

5 Toelichting op de te kiezen experimenten en groepen 1. Plasmawand interactie: Pilot-PSI In toekomstige kernfusie-elektriciteitscentrales wordt een heet geïoniseerd gas (een plasma) gemaakt om atoomkernen met elkaar te laten samensmelten. De benodigde temperatuur is zo hoog (150 miljoen C), dat het plasma met behulp van een magneetveld opgesloten moet worden, omdat het anders de wand van het reactorvat kan beschadigen. De magnetische opsluiting zorgt ervoor dat het plasma op een gecontroleerde manier wordt afgevoerd naar een speciaal gedeelte van het reactorvat (de afvoer). Hierbij is het plasma al flink afgekoeld tot enkele tienduizenden graden, maar de grote hoeveelheid deeltjes die hier op de wand terechtkomt, zorgt toch nog voor een extreme wandbelasting. Wisselwerking tussen plasma s en oppervlakken treedt niet alleen op in een fusiereactor, maar bijvoorbeeld ook in veel industriële processen en bijvoorbeeld bij de terugkeer van een space shuttle in de atmosfeer. Voor al deze situaties is het van belang te weten hoe een plasma reageert op een materiaaloppervlak. Om deze processen te bestuderen hebben we een opstelling nodig, waarmee we plasma-wand interactie onder extreme omstandigheden kunnen onderzoeken. In het experiment Pilot-PSI maken we een intense plasmabundel, waarmee we een oppervlak beschieten met een warmtebelasting van meer dan 10 MW per m 2. Met dit experiment is het mogelijk om voor een aantal seconden plasma s te maken die even intens zijn als die in de afvoer van een fusiereactor. Pilot-PSI is een voorloper van het grotere experiment Magnum-PSI, waarmee we de reactoromstandigheden nog veel realistischer kunnen nabootsen. De kennis die nu wordt opgedaan in Pilot-PSI wordt gebruikt voor het ontwerp en het onderzoeksprogramma van Magnum-PSI. Het uiteindelijke doel van deze experimenten is om de situatie in een grote fusiereactor in een klein en hanteerbaar experiment na te doen, om zo wetenschappelijke en technische ideeën gemakkelijker te kunnen testen. Dat moet leiden tot een beter inzicht in plasmawand interactie en tot ideeën en Pilot-PSI met een waterstofplasma adviezen voor de verdere ontwikkeling van fusie-reactoren. 2. Plasmawand interactie: Magnum-PSI, recordplasma's voor de ITER-wand Op het FOM-Instituut DIFFER is onlangs de nieuwe opstelling Magnum-PSI opgebouwd. Het doel is het bestuderen van de wisselwerking tussen plasma s en de wanden van toekomstige kernfusiecentrales. In Magnum-PSI kan het contact tussen een fusieplasma en de wandtegels in een fusiecentrale op een zeer realistische manier worden nagebootst; nog veel realistischer dan in zijn voorganger Pilot-PSI. De experimenten worden uitgevoerd in een vacuümopstelling bij lage druk en er kunnen onderdelen die gebruikt zullen worden in een fusiereactor worden getest en onderzocht. Een supergeleidende magneet van 2.5 meter lang en met een binnendiameter van 1.3 meter zal in de toekomst in zijn geheel om de vacuümopstelling worden geplaatst. Het magneetveld van deze magneet leidt het plasma naar het gebied waar de wisselwerking met de wand van een trefplaat plaatsvindt. De supergeleiding van de magneet zorgt er voor dat er langdurende experimenten gedaan kunnen worden (duur: meerdere uren tot een dag). In een aparte analysekamer, vastgekoppeld aan de opstelling, kunnen de trefplaten na wisselwerking met het plasma worden geanalyseerd. Met deze nieuwe opstelling kunnen we veel leren over mogelijke beschadigingen aan de wanden van kernfusiecentrales en hoe dit voorkomen kan worden. Pagina van 10

6 De Magnum-PSI opstelling is onlangs in gebruik genomen met gepulste koperspoelen die een magneetveld kunnen leveren van 1.9 T gedurende 6 seconden. Een bezoek aan de opstelling laat mooi zien welke technische aspecten een rol spelen bij het opzetten van een dergelijk groot experiment. De vacuümopstelling is 14 meter lang en heeft een gemiddelde diameter van 60 cm. De opstelling wordt leeggepompt door drie grote pompen met ieder een zuigvermogen van m3/h. Aan weerszijden van de opstelling bevinden zich ijzeren muren van 5 cm dik De Magnum-PSI opstelling en 3 m hoog; deze muren schermen de omgeving af van de hoge magneetvelden die bij dit experiment worden gemaakt. Vanuit de Magnum controlekamer wordt het experiment bestuurd en worden de verzamelde data bestudeerd en geanalyseerd. 3. Optiek voor Extreem Ultraviolet licht: Physics of thin films & multilayers Bij de productie van computerchips wordt het patroon van een chip op een plak silicium afgebeeld. De grootte van de details die je kunt afbeelden wordt beperkt door de golflengte van het gebruikte licht. Om kleinere structuren te kunnen maken voor chipfabricage in de toekomst, moet dus licht met een kortere golflengte worden gebruikt. Op dit moment worden met een ultraviolette lichtbron (193 nanometer; 300 keer dunner dan een hoofdhaar), en een complex systeem van lenzen, afbeeldingen gemaakt van typisch 50 nm. Voor de nabije toekomst is men van plan over te schakelen op licht met een nog kleinere golflengte, namelijk maar 13,5 nanometer, het 'extreem ultraviolet' (EUV) golflengtegebied. Met deze golflengte is het in principe mogelijk om structuren te maken van maar 10 nm, zo dik als een DNA-molecuul! Voor de toepassing van 13,5 nm lithografie is nog heel wat werk nodig. Krachtige lichtbronnen en gevoelige optische componenten moeten naast elkaar gebruikt kunnen worden, en juist daarom is het EUV golflengtegebied voor Elektronenmicroscoopopname van een onderzoek en technologie heel aantrekkelijk. Licht met een golflengte van multilaag, bestaande uit vijftig dubbellagen 13,5 nm wordt namelijk volledig geabsorbeerd in elk denkbaar materiaal. silicium en molybdeen van elk slechts 3 nanometer dikte. Optische systemen die de structuren op een chip moeten afbeelden kunnen daarom niet uit lenzen bestaan. De oplossing wordt gevonden in het gebruik van reflecterende optieken, waarbij een reflecterende coating iets anders zal moeten zijn dan alleen een enkele laag. Voor deze golflengte wordt voor een enkele laag namelijk niet meer dan een paar procent van het licht gereflecteerd per spiegel, wat veel te weinig is voor praktische toepassing in de industrie. Pagina van 10

7 De afdeling nsi (nanolayer Surface and Interface Physics) doet binnen DIFFER onderzoek aan de ontwikkeling van speciale multilaagspiegels die bestaan uit honderden afwisselende lagen, met diktes van enkele nanometers tot slechts tienden van nanometers. Het onderzoek brengt technologische uitdagingen met zich mee, zoals de eis van perfecte controle over de laagdikte. Zo is positieve interferentie te verkrijgen van alle afzonderlijke reflecties. Ook is er de noodzaak om bij het maken van grote spiegels de totale laagdikte te controleren met een nauwkeurigheid van beter dan 0,02 nanometer, veel minder dan een atoomdiameter! Dat het principe werkt, is inmiddels aangetoond in twee prototype lithografiemachines waaraan DIFFER heeft meegewerkt. Er moet nog veel fundamenteel onderzoek worden gedaan aan de interne structuur en de oppervlakteverschijnselen die plaatsvinden tijdens het maken van de multilaagspiegels en bij jarenlang gebruik van de spiegels onder agressieve bedrijfsomstandigheden. Onderzoeksthema's zijn het goed begrijpen van de diffusieprocessen waardoor de lagen gaan mengen onder hoge bedrijfstemperaturen, en het ontwikkelen van speciale gestabiliseerde structuren om dit mengen te voorkomen. Verder is de levensduur van de spiegels momenteel sterk beperkt door direct contact met intense plasma'ss en chemische oppervlakteprocessen zoals oxidatie. Hiervoor moet dus ook een oplossing bedacht worden door beschermende lagen of processen uit te vinden. Voor al dit onderzoek staan op de afdeling nsi diverse opdampopstellingen waar deze bijzondere gelaagde structuren gemaakt kunnen worden. Ook is er analyse-apparatuur die krachtig genoeg is om de geproduceerde structuur tot op (sub)-atomaire schaal te kunnen onderzoeken. 4. De groep Elektronica en ICT De groep Elektronica en ICT (E&I) koopt, ontwerpt, bouwt en beheert de elektronica en ICT die de medewerkers en experimentele opstellingen binnen DIFFER nodig hebben. E&I bestaat uit een aantal specialismen, die hieronder worden beschreven Elektronica Elektronici binnen E&I ontwerpen en bouwen analoge en digitale elektronische schakelingen voor experimenten. Onder de analoge elektronica vallen bijvoorbeeld versterkers, signaalbronnen en motorregelingen. Onder de digitale elektronica vallen onder andere VMEbus modules, Programmable Logic Devices (PLD) en Field Programmable Gate Arrays (FPGA). Pagina van 10

8 4.2 - Vermogenselektronica Vermogenselektronici binnen E&I ontwerpen en bouwen o.a. installaties die hoge spanningen (tot 2 miljoen volt), hoge stromen of hoge vermogens kunnen schakelen, met - indien nodig - zeer snelle schakeltijden. Zo worden er systemen en voedingen van 10 A tot 100 ka en van 1 kilovolt tot 2 megavolt ontworpen en gebouwd ICT Software Group Helpdeskmedewerkers en systeembeheerders binnen E&I verzorgen aanschaf, installatie, testen en onderhoud van computer- en communicatieapparatuur, en beheren de centrale computers, het netwerk, de printers, de internetverbinding en de website van ons instituut, en ondersteunen de gebruikers. Software engineers binnen E&I verzorgen de technische automatisering: bouw en onderhoud van systemen voor experimentbesturing, de dataverzameling en de data opslag. Voor deze systemen wordt gebruik gemaakt van commerciële en zelfontwikkelde hardware, waarvoor meestal software op maat moet worden gemaakt in LabVIEW of C/C++ of Python. Tijdens de open dag wordt zo'n besturingssysteem gedemonstreerd. Pagina van 10

9 5. Mechanische Techniek De groep Mechanische Techniek bestaat uit drie subgroepen: tekenkamer, fijnmechanische techniek en vacuümsoldeergroep. Samen zijn ze verantwoordelijk voor het complete traject van ontwerp tot fabricage van de vele mechanische producten voor het wetenschappelijk onderzoek bij de verschillende experimenten. Deze onderdelen variëren van klein en zeer kwetsbaar tot groot en massief, en omvatten o.a. ultra-hoogvacuüm systemen, spiegelsystemen voor microgolfbundels, gasafsluiters, maar ook complete opstellingen om moleculen op te sluiten en te bestuderen De tekenkamer Op de tekenkamer wordt al de apparatuur op mechanisch gebied ontworpen, geconstrueerd en gedetailleerd. De ontwerpsoftware die op deze afdeling gebruikt wordt is Catia V5, een geavanceerd 3D ontwerppakket. Voordeel van dit pakket is de mogelijkheid om van het ontwerp op een relatief eenvoudige manier 2D werktekeningen te genereren. Ook is er de mogelijkheid om de modellen door te rekenen op bijvoorbeeld sterkte en stijfheid. Nadat het ontwerp gereed is, wordt in overleg met de groep fijnmechanische techniek bekeken welke onderdelen in huis gemaakt kunnen worden en welke onderdelen het beste uitbesteed kunnen worden Fijnmechanische Techniek De groep fijnmechanische techniek is verantwoordelijk voor de fabricage van de onderdelen die nodig zijn voor het wetenschappelijk onderzoek. Fabricage gebeurt over het algemeen aan de hand van werktekeningen. Die worden aangeleverd door de tekenkamer. Ook kan er gewerkt worden met schetsen. Sinds een aantal jaren wordt er ook gebruik gemaakt van een CAD- CAM verbinding met de tekenkamer. Naast een aantal conventionele draai- en freesmachines heeft de groep ook de beschikking over een drietal CNC freesmachines, waaronder één machine die 5 assen simultaan kan bewerken en één CNC draaibank. FELICE spiegelhouder De vacuümsoldeergroep Het gebruik van verschillende materialen in ultrahoog vacuüm vereist hoogwaardige soldeertechnieken. DIF- FER heeft door de jaren heen een naam opgebouwd op het gebied van het vacuümsolderen. Naast de ruime expertise beschikt de afdeling over hoogwaardige apparatuur voor het soldeerwerk. Pagina van 10

10 Het Fusie Informatie Centrum In het Fusie Informatie Centrum vindt u informatie over het hoe en waarom van fusie-energie, over de status en vooruitgang van het onderzoek, demonstraties van plasma s, een model van ITER en een korte film over het fusieonderzoek. Kernfusie is het proces waarbij lichte atoomkernen samensmelten tot zwaardere. Het is de energiebron van de zon en de sterren, en daarmee is kernfusie de grootste energiebron van het heelal. Wetenschappers doen onderzoek om fusie als veilige en onuitputtelijke energiebron op aarde te gebruiken. Om de levensstandaard van de hele wereldbevolking aan het eind van deze eeuw op een westers niveau te brengen, Een onderzoeker in het hart van de grootste experimentele fusiereactor ter wereld: Joint European Torus (JET), bij Oxford, is ongeveer vijf keer zo veel energie nodig als we nu gebruiken. Tegelijkertijd raken de huidige fossiele hoofdleve- Engeland. ranciers uitgeput. De toenemende vraag naar energie roept om nieuwe manieren van energie opwekken. Eén daarvan is fusie. Fusie-energie biedt uitzicht op een schone, veilige, en duurzame energiebron. Sinds januari 2007 wordt in het Franse Cadarache door zeven internationale partners, waaronder de EU, gebouwd aan de internationale ITER reactor. Ontwerpers, technici en wetenschappers van FOM-DIFFER werken mee aan het testen en ontwerpen van onderdelen voor ITER. Dit uitdagende wetenschappelijke en technologische project zal aantonen dat met fusie meer energie kan worden opgewekt dan de reactor zelf verbruikt. Pagina van 10