Gli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison hanno utilizzato una tecnologia di rivestimento a spruzzo per produrre un nuovo materiale instancabile in grado di resistere alle dure condizioni all'interno di un reattore a fusione.
L'avanzamento, dettagliato in un articolo pubblicato di recente sulla rivista Physica Scripta , potrebbe consentire reattori a fusione compatti più efficienti e più facili da riparare e mantenere.
"La comunità della fusione è alla ricerca urgente di nuovi approcci produttivi per produrre economicamente grandi componenti rivolti verso il plasma nei reattori a fusione", afferma Mykola Ialovega, ricercatrice post-dottorato in ingegneria nucleare e fisica ingegneristica presso l'UW-Madison e autrice principale dell'articolo. "La nostra tecnologia mostra notevoli miglioramenti rispetto agli approcci attuali. Con questa ricerca, siamo i primi a dimostrare i vantaggi dell'utilizzo della tecnologia di rivestimento a spruzzo a freddo per le applicazioni di fusione."
I ricercatori hanno utilizzato un processo di spruzzatura a freddo per depositare un rivestimento di tantalio, un metallo che può resistere alle alte temperature, sull’acciaio inossidabile. Hanno testato il loro rivestimento di tantalio spruzzato a freddo nelle condizioni estreme tipiche di un reattore a fusione e hanno scoperto che funzionava molto bene. È importante sottolineare che hanno scoperto che il materiale è eccezionalmente efficace nel intrappolare le particelle di idrogeno, il che è vantaggioso per i dispositivi di fusione compatti.
"Abbiamo scoperto che il rivestimento di tantalio spruzzato a freddo assorbe molto più idrogeno rispetto al tantalio sfuso a causa della microstruttura unica del rivestimento", afferma Kumar Sridharan, professore di ingegneria nucleare e fisica ingegneristica e scienza e ingegneria dei materiali. Negli ultimi dieci anni, il gruppo di ricerca di Sridharan ha introdotto la tecnologia dello spray freddo nella comunità dell'energia nucleare implementandola per molteplici applicazioni legate ai reattori a fissione.
"La semplicità del processo di spruzzatura a freddo lo rende molto pratico per le applicazioni", afferma Sridharan.
Nei dispositivi a fusione, il plasma, un gas idrogeno ionizzato, viene riscaldato a temperature estremamente elevate e i nuclei atomici nel plasma si scontrano e si fondono. Questo processo di fusione produce energia. Tuttavia, alcuni ioni idrogeno potrebbero essere neutralizzati e fuoriuscire dal plasma.
"Queste particelle neutre di idrogeno causano perdite di potenza nel plasma, il che rende molto difficile mantenere un plasma caldo e avere un efficace reattore a fusione di piccole dimensioni", afferma Ialovega, che lavora nel gruppo di ricerca di Oliver Schmitz, professore di ingegneria nucleare e fisica ingegneristica.
Ecco perché i ricercatori hanno deciso di creare una nuova superficie per le pareti del reattore rivolte al plasma che potrebbe intrappolare le particelle di idrogeno mentre entrano in collisione con le pareti.
Il tantalio è intrinsecamente efficace nell'assorbire l'idrogeno e i ricercatori sospettavano che la creazione di un rivestimento di tantalio utilizzando un processo di spruzzatura a freddo avrebbe aumentato ulteriormente le sue capacità di intrappolare l'idrogeno.
Creare un rivestimento spruzzato a freddo è un po' come usare una bomboletta di vernice spray. Consiste nel spingere le particelle del materiale di rivestimento a velocità supersoniche su una superficie. All'impatto, le particelle si appiattiscono come frittelle e ricoprono l'intera superficie, preservando i confini su scala nanometrica tra le particelle del rivestimento. I ricercatori hanno scoperto che questi minuscoli confini facilitano l'intrappolamento delle particelle di idrogeno.
Ialovega ha condotto esperimenti sul materiale rivestito presso le strutture dell'Università di Aix Marsiglia in Francia e della Forschungszentrum Jülich GmbH in Germania. Durante questi esperimenti, ha scoperto che quando riscaldava il materiale a una temperatura più elevata, le particelle di idrogeno intrappolate venivano espulse senza modificare i rivestimenti:un processo che essenzialmente rigenera il materiale in modo che possa essere riutilizzato.
"Un altro grande vantaggio del metodo di spruzzatura a freddo è che ci consente di riparare i componenti del reattore sul posto applicando un nuovo rivestimento", afferma Ialovega. "Attualmente, i componenti danneggiati del reattore spesso devono essere rimossi e sostituiti con parti completamente nuove, il che è costoso e richiede tempo."
I ricercatori intendono utilizzare il loro nuovo materiale nel Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror (WHAM). Il dispositivo sperimentale è in costruzione vicino a Madison, Wisconsin, e servirà da prototipo per una futura centrale elettrica a fusione di prossima generazione che Realta Fusion, spin-off UW-Madison, intende sviluppare. Ospitato nel Laboratorio di scienze fisiche, l'esperimento WHAM è una partnership tra UW-Madison, Massachusetts Institute of Technology e Commonwealth Fusion Systems.
"La creazione di un composito metallico refrattario con queste caratteristiche di gestione ben controllata dell'idrogeno combinate con resistenza all'erosione e resilienza generale del materiale è una svolta per la progettazione di dispositivi al plasma e sistemi di energia di fusione", afferma Schmitz. "La prospettiva di cambiare la lega e includere altri metalli refrattari per migliorare il composito per applicazioni nucleari è particolarmente entusiasmante."
Ulteriori informazioni: Mykola Ialovega et al, Studio iniziale sulla stabilità termica del rivestimento di tantalio spray freddo irradiato con deuterio per applicazioni di fusione, Physica Scripta (2023). DOI:10.1088/1402-4896/ad0098
Fornito dall'Università del Wisconsin-Madison
