Las aleaciones metálicas pueden sustentar la energía de fusión nuclear

PNL

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Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore anunciaron que observaron una ganancia neta en la energía de fusión nuclear por primera vez a finales de 2022. La investigación es un gran hito hacia la energía de fusión que puede alimentar a millones de hogares y empresas con una energía de carbono. fuente de energía neutra. Sin embargo, convertir este logro en una fuente práctica de energía nuclear requiere tecnologías innovadoras para dar vida a la sociedad impulsada por la fusión.

Los científicos del Instituto Politécnico y la Universidad Estatal de Virginia y del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico están trabajando para hacer realidad este objetivo a través de sus esfuerzos en la investigación de materiales. Su trabajo reciente publicado en Scientific Reports incluyó el caso de las aleaciones de tungsteno y mostró cómo el metal podría mejorarse para su uso en reactores de fusión nuclear avanzados copiando la estructura de una concha marina.

Jacob Haag, el primer autor de la investigación, dijo que este es el primer estudio sobre tales interfaces materiales en escalas de longitud demasiado pequeñas. Añadió que también revelaron algunos mecanismos fundamentales que gobiernan la dureza y durabilidad de los materiales.

El sol tiene una temperatura central de aproximadamente 27 millones de grados Fahrenheit y funciona gracias a la fusión nuclear. Por tanto, es comprensible el hecho de que las reacciones de fusión nuclear produzcan mucho calor. Antes de que los científicos puedan aprovechar la energía de estas reacciones y convertirlas en energía, necesitan desarrollar reactores de fusión nuclear avanzados capaces de soportar las altas temperaturas y las condiciones de irradiación que se desarrollan en las reacciones de fusión.

El tungsteno tiene el punto de fusión más alto entre todos los elementos disponibles en el planeta Tierra. Esto lo convierte en uno de los mejores materiales para reactores de fusión nuclear. Sin embargo, el metal también puede ser quebradizo, lo que hace posible mezclarlo con otros metales. Mezclarlo con otros metales, como hierro y níquel, puede ayudar a crear una aleación más resistente que el tungsteno pero que conserva sus altas propiedades de fusión.

No es sólo la composición la que ofrece a estas aleaciones de tungsteno sus propiedades, sino el tratamiento termomecánico del metal lo que conduce al desarrollo de tenacidad y resistencia a la tracción.

Utilizando un método específico de laminación en caliente, se fabricaron aleaciones pesadas de tungsteno con microestructuras que se asemejan al nácar o nácar que se encuentra en las conchas marinas. El nácar es apreciado por sus impresionantes colores iridiscentes y su asombrosa fuerza. Los equipos de investigación de PNNL y Virginia Tech estudiaron las aleaciones pesadas de tungsteno que se aproximan al nácar para posibles aplicaciones de fusión nuclear.

NNehring/iStock

Según Haag, "queríamos saber por qué estos materiales tienen capacidades mecánicas prácticamente inauditas en el ámbito de los metales y las aleaciones".

Para examinar la microestructura de las aleaciones, Haag y su equipo utilizaron técnicas avanzadas como la microscopía electrónica de transmisión de barrido para analizar la estructura atómica de la aleación. Además, también trabajaron en el mapeo de la composición a nanoescala del material combinando tomografía con sonda atómica y espectroscopia de rayos X de energía dispersiva.

La aleación pesada de tungsteno se compone de dos fases separadas que coexisten dentro de la estructura similar a nácar: una fase "dura" que es tungsteno casi puro y una fase "dúctil" que se compone de una combinación de níquel, hierro y tungsteno. Los resultados del estudio apuntan a una excelente relación entre las diferentes fases, incluidas las fases "dura" y "dúctil", estrechamente acopladas, como fuente de la alta resistencia de las aleaciones pesadas de tungsteno.

Según Wahyu Setyawan, científico computacional del PNNL y coautor del estudio, "las dos etapas diferentes generan un compuesto resistente, pero plantean grandes obstáculos a la hora de generar muestras de alta calidad para la caracterización. Esto nos permitió exponer la precisión estructura de los límites de la interfase y la gradación química a través de estos límites, gracias al excelente trabajo de los miembros de nuestro equipo".

El trabajo muestra cómo las fuertes interacciones materiales en aleaciones pesadas de tungsteno se ven influenciadas por la estructura de los cristales, la geometría y la química. También muestra formas de mejorar el diseño y las características de los materiales para aplicaciones de fusión.

Según Haag, la seguridad y durabilidad de estas aleaciones bifásicas deben optimizarse si se van a utilizar dentro de reactores nucleares.

Los resultados del estudio ya se están ampliando en múltiples dimensiones dentro del PNNL y la comunidad de investigación científica. PNNL también está trabajando en el modelado de materiales multiescala para optimizar la estructura y probar la resistencia de materiales con interfaces diferentes. Además, están trabajando en observar cómo se comportan estos materiales bajo temperaturas y condiciones de irradiación extremas en un reactor de fusión.

Setyawan añadió que es emocionante para su equipo trabajar en energía de fusión ya que la Casa Blanca y el sector privado han mostrado interés en el trabajo de investigación. La investigación que realizan para descubrir soluciones materiales para operaciones prolongadas es necesaria para acelerar la realización de reactores de fusión.

Además, el Departamento de Energía, Ciencias de la Energía de Fusión, la Oficina de Ciencias y el programa de Investigación para Estudiantes Graduados de la Oficina de Ciencias también apoyaron la investigación.