Una nuova ricerca, condotta da scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, evidenzia il potenziale del tungsteno di migliorare significativamente la tecnologia dei reattori a fusione sulla base di nuove scoperte sulla sua capacità di condurre il calore. Questo progresso potrebbe accelerare lo sviluppo di materiali per reattori a fusione più efficienti e resistenti. I loro risultati sono stati pubblicati oggi su Science Advances .

"Ciò che ci entusiasma è il potenziale delle nostre scoperte di influenzare la progettazione di materiali artificiali per la fusione e altre applicazioni energetiche", ha affermato il collaboratore Siegfried Glenzer, direttore della divisione High Energy Density presso SLAC. "Il nostro lavoro dimostra la capacità di sondare i materiali su scala atomica, fornendo dati preziosi per ulteriori ricerche e sviluppi."

Mantenere la calma sotto pressione

Il tungsteno non è un metallo qualsiasi. È resistente, può sopportare temperature incredibilmente elevate e non si deforma o si indebolisce dalle ondate di calore tanto quanto gli altri metalli. Ciò lo rende particolarmente efficace nel condurre via il calore in modo rapido ed efficiente, che è esattamente ciò che è necessario nelle condizioni surriscaldate di un reattore a fusione. Il rapido caricamento termico del tungsteno e delle sue leghe si trova anche in molte applicazioni aerospaziali, come gli ugelli dei motori a razzo, gli scudi termici e i rivestimenti delle pale delle turbine.

Capire come funziona il tungsteno con il calore offre indizi su come realizzare nuovi materiali per reattori a fusione che siano ancora migliori nel mantenere il fresco sotto pressione. In questa nuova ricerca, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo modo per esaminare da vicino il modo in cui il tungsteno gestisce il calore a livello atomico.

Il gruppo di ricerca si è proposto di esplorare il fenomeno della diffusione dei fononi, un processo in cui le vibrazioni reticolari all'interno di un materiale solido interagiscono, svolgendo un ruolo fondamentale nella capacità del materiale di condurre il calore. Tradizionalmente, il contributo dei fononi al trasporto termico nei metalli veniva sottovalutato, dando maggiore enfasi al ruolo degli elettroni. Attraverso una combinazione di modellizzazione e tecniche sperimentali all'avanguardia, il gruppo di ricerca ha fatto luce sul comportamento dei fononi nel tungsteno.

Contributi districanti

Nella "fotocamera elettronica" MeV-UED ad alta velocità dello SLAC, i ricercatori hanno sondato il materiale con una tecnica chiamata scattering diffuso di elettroni ultraveloce (UEDS), che ha permesso al team di osservare e misurare le interazioni tra elettroni e fononi con una precisione senza precedenti. Questo metodo prevede di sparare con un laser per eccitare gli elettroni nel tungsteno e quindi osservare come questi elettroni eccitati interagiscono con i fononi. La tecnica UEDS cattura la diffusione degli elettroni dai fononi, consentendo ai ricercatori di osservare queste interazioni in tempo reale con incredibile precisione.

L'UEDS ha permesso ai ricercatori di distinguere tra i contributi della diffusione elettrone-fonone e fonone-fonone al trasporto termico. Questa differenziazione è fondamentale per comprendere il complesso funzionamento della gestione del calore nei materiali soggetti alle dure condizioni di un reattore a fusione.

"La sfida sta nel distinguere i contributi dei fononi dagli elettroni nel trasporto termico", ha affermato lo scienziato dello SLAC Mianzhen Mo, che ha guidato la ricerca. "Il nostro articolo introduce una tecnica all'avanguardia che risolve questi contributi, rivelando come l'energia è distribuita all'interno del materiale. Questa tecnica ci ha permesso di misurare con precisione le interazioni tra elettroni e fononi nel tungsteno, fornendoci intuizioni precedentemente fuori portata."

I risultati dello studio hanno mostrato che nel tungsteno l'interazione tra i fononi stessi è molto più debole del previsto. Questa debole interazione fonone-fonone significa che il tungsteno può condurre il calore in modo più efficiente di quanto si pensasse in precedenza.

"I nostri risultati sono particolarmente rilevanti per la progettazione di materiali nuovi e più robusti per i reattori a fusione", ha affermato il collaboratore Alfredo Correa, scienziato del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). "Esperimenti così precisi forniscono un'eccellente validazione per la nuova tecnica di simulazione che abbiamo impiegato in questo lavoro per descrivere il trasporto di calore e i movimenti microscopici di atomi ed elettroni, permettendoci di prevedere come si comporteranno i materiali in ambienti estremi."

Se non riesci a sopportare il caldo...

In seguito a questa ricerca, il team prevede di studiare l'impatto delle impurità, come l'elio, sulla capacità del tungsteno di gestire il calore. L'accumulo di elio, un prodotto della trasmutazione nei materiali indotta dai neutroni di fusione, può influire sulle prestazioni e sulla longevità del materiale.

"La prossima fase della nostra ricerca esplorerà il modo in cui l'elio e altre impurità influiscono sulla capacità del tungsteno di condurre il calore", ha affermato Mo. "Ciò è fondamentale per migliorare la durata e l'efficienza dei materiali dei reattori a fusione."

Comprendere queste interazioni è fondamentale per convalidare la modellazione fondamentale e sviluppare materiali in grado di resistere nel tempo alle rigorose esigenze di un reattore a fusione. Ciò potrebbe portare a materiali ancora migliori non solo per i reattori a fusione ma anche in altri campi in cui la gestione del calore è fondamentale, dall'aerospaziale all'industria automobilistica fino all'elettronica.

"Questa ricerca non riguarda solo il miglioramento dei materiali per i reattori a fusione; si tratta di sfruttare la nostra comprensione della dinamica dei fononi per rivoluzionare il modo in cui gestiamo il calore in un'ampia gamma di applicazioni", ha affermato Glenzer. "Non stiamo solo migliorando la nostra comprensione di come si comportano i materiali in condizioni estreme; stiamo gettando le basi per un futuro in cui l'energia di fusione pulita e sostenibile potrebbe essere una realtà."