L'energia di fusione pratica non è solo un sogno all'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia. Esperti in fusione e scienza dei materiali stanno lavorando insieme per sviluppare soluzioni che renderanno possibile un impianto pilota di fusione e, in definitiva, un'abbondante elettricità di fusione priva di carbonio.

In qualità di capo della sezione di scienza, tecnologia e ingegneria nucleare di fusione del laboratorio, Chuck Kessel ha familiarità con le sfide dei materiali che devono essere affrontate per costruire una centrale elettrica. Kessel non aveva bisogno di cercare oltre Bruce Pint, capo del Corrosion Science and Technology Group di ORNL, come collaboratore.

Pint studia da decenni materiali resistenti alla corrosione e ad alta temperatura per applicazioni di generazione di energia. Il suo lavoro si è concentrato principalmente sulla corrosione e ossidazione gas-metallo o leghe per centrali a carbone, gas e nucleari. L'esame di liquidi corrosivi nel contesto dell'energia di fusione rappresenta una sfida diversa e più difficile.

"C'è un po' di scienza e un po' di arte che entrano nell'intera faccenda", ha detto Pint.

Una sfida fondamentale per la fusione è come produrre e recuperare il trizio, un isotopo dell'idrogeno pesante che, insieme al suo cugino più leggero, il deuterio, servirà da combustibile per i reattori a fusione di domani.

In una reazione di fusione, questi isotopi vengono riscaldati a temperature simili al sole in un plasma dove si scontrano per formare elio e un neutrone, rilasciando energia sotto forma di energia cinetica. Dirigendo quei neutroni veloci verso il litio metallico più comune, gli scienziati possono produrre trizio all'interno del reattore stesso.

Una strategia promettente per la produzione di trizio in un reattore a fusione consiste nel convogliare piombo-litio liquido attraverso la "coperta" del reattore, le pareti interne realizzate in acciaio specializzato con inserti del canale di flusso in carburo di silicio. Tuttavia, c'è un problema:il flusso continuo di piombo-litio consumerà gradualmente l'acciaio. Ridurre al minimo la corrosione è un passaggio cruciale per una centrale elettrica a fusione praticabile.

"Questo tipo di coperta, con un autofertilizzante liquido che scorre attraverso di essa e corrode questi materiali, è fondamentalmente limitato da questo meccanismo di corrosione", ha affermato Kessel.

Marie Romedenne, che ha studiato metalli liquidi per il suo dottorato ed è entrata a far parte di ORNL nel 2019, sta aiutando Pint e impara di più sui metodi sperimentali dei metalli liquidi ORNL che sono stati utilizzati dagli anni '50.

Molti fattori contribuiscono ai tassi di corrosione, inclusa la composizione dei materiali esposti; per quanto tempo è esposto; quanto velocemente scorre il liquido; i forti campi magnetici usati per controllare e confinare il plasma; la temperatura; e le impurità nel sistema. Questa sfida alla corrosione ha dato a Pint e Romedenne la possibilità di tracciare diversi esperimenti progettati per districare questi fattori avvicinandosi alle condizioni di un vero reattore a fusione.

Il team ha costruito una serie di circuiti di flusso che hanno testato i materiali in varie condizioni, comprese temperature fino a 700 gradi Celsius. All'interno del circuito, gli scienziati hanno inserito campioni di un acciaio simile a quello che sarebbe stato utilizzato per i componenti di un dispositivo di fusione, oltre a campioni di carburo di silicio. Secondo gli attuali progetti di fusione, il carburo di silicio riduce la caduta di pressione nel flusso di piombo-litio isolando elettricamente il fluido dalle pareti di acciaio. Questo approccio supporta i tre materiali che coesistono e interagiscono, con il piombo-litio che media tra l'acciaio e il carburo di silicio.

Dopo ogni esperimento di 1.000 ore, i campioni sono stati testati per vedere se erano diventati fragili e quanta massa era stata persa per la dissoluzione nel piombo liquido litio o, in alternativa, aggiunta da composti di nuova formazione.

Nel primo esperimento, Pint e Romedenne hanno scoperto che il ferro e il cromo dell'acciaio si stavano dissolvendo nel liquido, che poi ha reagito con i campioni di carburo di silicio per formare composti intermetallici, siliciuri e carburi di ferro e cromo. Mentre questi composti di nuova formazione scorrevano attraverso il circuito, si accumulavano sui campioni di carburo di silicio nell'estremità più fredda del circuito, creando uno strato relativamente spesso.

"In realtà era piuttosto spettacolare:un paio di centinaia di micron di spessore", ha detto Pint. "Pensavo che potesse reagire un po'. Non mi aspettavo che reagisse così tanto."

Pint e Romedenne hanno anche scoperto che l'abbassamento della temperatura elevata del circuito da 700 a 650 gradi Celsius comportava un accumulo molto più lento dei composti di nuova formazione.

"Se hai solo carburo di silicio e non hai una fonte di ferro e cromo da inserire nel liquido, non vedrai questa reazione", ha detto Pint. "Nessuno aveva messo insieme tutti i pezzi prima."

Quando il ferro e il cromo hanno reagito con il carburo di silicio, il piombo-litio ha corroso drammaticamente i campioni di acciaio. "Erano a malapena lì dopo la fine del test", ha detto.

Nel secondo esperimento, il team ha rivestito l'acciaio con un sottile strato di alluminio per proteggerlo dal liquido corrosivo, la prima volta che è stato fatto in un esperimento fluido. I risultati, ha detto Pint, sono stati incoraggianti.

"La corrosione sta ancora accadendo, anche quando abbiamo cercato di abbottonare tutto il più possibile", ha detto Pint. "Ma abbiamo portato le cose a un livello più gestibile. Nessuno dei nostri campioni di acciaio rivestito è stato degradato in modo significativo."

Nei prossimi esperimenti, Pint e Romedenne hanno in programma di utilizzare uno strato più sottile di alluminio per ridurre al minimo la quantità di quell'elemento che finisce nel sistema. Hanno anche in programma di raddoppiare la durata degli esperimenti a 2.000 ore per studiare meglio la crescita dello strato di reagente sul lato freddo del circuito.

Per avventurarsi oltre i limiti dei loro circuiti sperimentali, Romedenne sta utilizzando modelli e simulazioni per prevedere la durata della corrosione dei materiali da fusione a durate industriali:50.000 ore o più. Ma sono necessari continui esperimenti e nuovi ambienti di test per convalidare e migliorare questi modelli.

Kessel sta ora gettando le basi per lo sviluppo di un circuito di flusso avanzato, dotato di magneti per aiutare a misurare l'impatto dei campi magnetici sui tassi di corrosione.

"Vogliamo creare un ambiente il più possibile prototipo per consentirci di identificare, dimostrare e ottimizzare soluzioni reali per un impianto pilota di fusione", ha affermato Kessel. + Esplora ulteriormente

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