Un equipo desarrolla una aleación para impulsar la energía de fusión

13 de junio de 2023

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por el Laboratorio Nacional de Los Álamos

Una aleación a base de tungsteno recientemente desarrollada que funciona bien en entornos extremos similares a los de los prototipos de reactores de fusión puede ayudar a aprovechar la energía de fusión.

"La nueva aleación muestra una resistencia prometedora a la irradiación y estabilidad bajo las altas temperaturas y los entornos de irradiación extrema utilizados para representar el entorno de un reactor de fusión", dijo Osman El Atwani, científico del Laboratorio Nacional de Los Álamos.

"El desarrollo de esta aleación, y el acuerdo entre modelado y experimentación que representa, señala el camino hacia el desarrollo de otras aleaciones útiles, un paso esencial para hacer que la generación de energía de fusión sea más robusta, rentable, económicamente predecible y atractiva para los inversores. ".

A medida que los conceptos de energía de fusión se acercan al mundo real, es imperativo resolver el desafío de los materiales. Los alentadores resultados indican que un paradigma de diseño, como lo describen El Atwani y sus colaboradores, y las aleaciones de alta entropía pueden estar listas para desempeñar su papel a la hora de aprovechar la promesa de la fusión.

El Atwani fue el investigador principal del proyecto, en el que participaron varias instituciones nacionales e internacionales. Sus resultados fueron publicados en mayo en Nature Communications.

La producción de energía limpia a través de la fusión requiere materiales que puedan soportar las duras condiciones (altas temperaturas, irradiación (exposición a radiación de neutrones de alta energía y flujos de partículas de helio) y estrés) asociados con reacciones de fusión que arden a más temperatura que el sol.

El Atwani y sus colaboradores desarrollaron una aleación nanocristalina de alta entropía, una aleación hecha de cinco o más elementos, con una forma cristalina a nivel nanoescalar (atómico). El tungsteno, un elemento elegido durante mucho tiempo para los componentes de revestimiento de plasma, es el elemento principal de la aleación.

Desafortunadamente, los materiales de tungsteno actuales tienen una viabilidad limitada como componentes de revestimiento de plasma porque el material se degrada y deforma en condiciones de fusión. Para desarrollar materiales más adecuados para la fusión, el equipo de investigación utilizó cálculos de propiedades termofísicas, métodos computacionales avanzados y simulaciones realizadas en múltiples instituciones, incluidas Los Álamos, la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido, la Universidad de Clemson y la Universidad de Varsovia.

Finalmente, se eligió el elemento hafnio para la mezcla de aleaciones en función del rendimiento predicho por el modelado y las simulaciones.

Después de fabricar películas de la aleación en el Centro de Nanotecnologías Integradas de Los Álamos, una versión del material fue irradiada en el Laboratorio Nacional Argonne. Otra versión fue irradiada en el Laboratorio de Materiales de Haz de Iones en Los Alamos. Técnicas avanzadas, incluida la microscopía electrónica de transmisión in situ, muestran que la aleación se mantuvo bien en estas duras condiciones experimentales, que replican un prototipo de energía nuclear de fusión.

"Las composiciones seleccionadas de este sistema de materiales exhiben la mejor resistencia a la irradiación entre todas las aleaciones probadas en condiciones y configuraciones similares", dijo Enrique Martínez, científico de materiales de la Universidad de Clemson. "Esos resultados se alinean con nuestro modelo, que minimizó en gran medida el conjunto de experimentos necesarios para evaluar el rendimiento del material".

Estas aleaciones también se pueden sintetizar en formas amorfas, un tipo de estructura en la que los átomos de los materiales no se alinean a gran distancia, como ocurre con las estructuras cristalinas. En una investigación relacionada realizada por un equipo de Los Álamos, la adición de hafnio en aleaciones amorfas introdujo una alta estabilidad bajo irradiación y recocido, un tratamiento térmico experimentado en entornos de fusión. Ese éxito, dirigido por el investigador principal El Atwani y el investigador postdoctoral de Los Álamos Matheus Tunes, se describió recientemente en Applied Materials Today.

"Estos proyectos constituyen un trabajo de nivel de preparación tecnológica temprana, y se necesita una fabricación masiva de los materiales y más experimentos para calificarlos como componentes de plasma o materiales estructurales de fusión nuclear", dijo El Atwani. "Sin embargo, el trabajo general que hemos realizado con estas aleaciones, con simulación de alto rendimiento y resultados experimentales, representa un protocolo de diseño de materiales para el futuro diseño y evaluación de nuevas aleaciones. Estos resultados nos ayudarán a seleccionar materiales para avanzar en el nivel de preparación tecnológica. ".

Más información: O. El Atwani et al, Una aleación quinaria de alta entropía refractaria nanocristalina WTaCrVHf que retiene ambientes de irradiación extrema, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38000-y

MA Tunes et al, Perspectivas sobre nuevas aleaciones amorfas refractarias de alta entropía en entornos extremos, Applied Materials Today (2023). DOI: 10.1016/j.apmt.2023.101796