Agencias, Ciudad de México.- El uso de la tecnología de recubrimiento por pulverización ha servido para producir un nuevo material resistente que puede soportar las duras condiciones dentro de un reactor de fusión.
El avance, detallado por ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison en la revista Physica Scripta, podría permitir reactores de fusión compactos más eficientes y más fáciles de reparar y mantener.
“La comunidad de la fusión está buscando urgentemente nuevos enfoques de fabricación para producir de forma económica grandes componentes orientados al plasma en reactores de fusión“, afirma Mykola Ialovega, investigadora postdoctoral en ingeniería nuclear e ingeniería física en la Universidad de Washington-Madison y autora principal del artículo.
“Nuestra tecnología muestra mejoras considerables con respecto a los enfoques actuales. Con esta investigación, somos los primeros en demostrar los beneficios del uso de la tecnología de recubrimiento por pulverización en frío para aplicaciones de fusión”, añadió en un comunicado.
Los investigadores utilizaron un proceso de pulverización en frío para depositar una capa de tantalio, un metal que puede soportar altas temperaturas, sobre acero inoxidable. Probaron su recubrimiento de tantalio por pulverización en frío en las condiciones extremas propias de un reactor de fusión. Descubrieron que el material es excepcionalmente bueno para atrapar partículas de hidrógeno, lo que resulta beneficioso para dispositivos de fusión compactos.
“Descubrimos que el recubrimiento de tantalio pulverizado en frío absorbe mucho más hidrógeno que el tantalio a granel debido a la microestructura única del recubrimiento“, dice Kumar Sridharan, profesor de ingeniería nuclear, ingeniería física y ciencia e ingeniería de materiales. Durante la última década, el grupo de investigación de Sridharan ha introducido la tecnología de pulverización en frío a la comunidad de energía nuclear implementándola para múltiples aplicaciones relacionadas con reactores de fisión.
“La simplicidad del proceso de pulverización en frío lo hace muy práctico para las aplicaciones”, afirma Sridharan.
En los dispositivos de fusión, el plasma (un gas de hidrógeno ionizado) se calienta a temperaturas extremadamente altas y los núcleos atómicos del plasma chocan y se fusionan. Ese proceso de fusión produce energía. Sin embargo, algunos iones de hidrógeno pueden neutralizarse y escapar del plasma.
“Estas partículas neutras de hidrógeno provocan pérdidas de energía en el plasma, lo que hace que sea muy difícil mantener un plasma caliente y tener un pequeño reactor de fusión eficaz”, dice Ialovega, que trabaja en el grupo de investigación de Oliver Schmitz, profesor de ingeniería nuclear y Ingeniería Física.
Es por eso que los investigadores se propusieron crear una nueva superficie para las paredes del reactor orientadas al plasma que podría atrapar partículas de hidrógeno cuando chocan con las paredes.
.@UWMadisonNEEP engineers have used a spray coating technology to produce a new workhorse material that can withstand the harsh conditions inside a fusion reactor.https://t.co/8VtvsH3nct
— UW–Madison (@UWMadison) December 15, 2023
El tantalio es intrínsecamente bueno para absorber hidrógeno, y los investigadores sospecharon que la creación de un recubrimiento de tantalio mediante un proceso de pulverización en frío aumentaría aún más su capacidad para atrapar hidrógeno.
Crear una capa rociada en frío es algo así como usar una lata de pintura en aerosol. Consiste en impulsar partículas del material de recubrimiento a velocidades supersónicas sobre una superficie. Tras el impacto, las partículas se aplanan como panqueques y cubren toda la superficie, preservando al mismo tiempo los límites a nanoescala entre las partículas de recubrimiento. Los investigadores descubrieron que esos pequeños límites facilitan la captura de partículas de hidrógeno.
Ialovega realizó experimentos con el material recubierto en las instalaciones de la Universidad Aix Marseille en Francia y Forschungszentrum Jülich GmbH en Alemania. Durante estos experimentos, descubrió que cuando calentaba el material a una temperatura más alta, expulsaba las partículas de hidrógeno atrapadas sin modificar los recubrimientos, un proceso que esencialmente regenera el material para que pueda usarse nuevamente.
“Otra gran ventaja del método de pulverización en frío es que nos permite reparar los componentes del reactor in situ aplicando un nuevo revestimiento”, afirma Ialovega. “Actualmente, los componentes dañados de los reactores a menudo necesitan ser retirados y reemplazados por una pieza completamente nueva, lo cual es costoso y requiere mucho tiempo”.
Este trabajo informa los resultados de un estudio inicial sobre el desarrollo de una interfaz de primera pared de tantalio recubierta por pulverización en frío para aplicaciones de fusión para atrapar isótopos de hidrógeno y con capacidades de resistir irradiación de deuterio de alta fluencia y baja energía y temperaturas de hasta 1100 K.
Se utilizó la tecnología de deposición por pulverización en frío para depositar una capa gruesa de tantalio sobre un sustrato de acero inoxidable 316L. Con base en el modelado para el conjunto de parámetros de pulverización en frío utilizados en este estudio, se determinó que la velocidad de las partículas de polvo que impactan era de aproximadamente 673 m/s. El examen transversal por microscopía electrónica de barrido reveló que el recubrimiento era denso pero con una porosidad de escala fina y una buena adhesión al sustrato.
El análisis compositivo y estructural relacionado con el análisis de retención de deuterio realizado después de la irradiación con plasma y el posterior recocido a 1100 K durante 15 minutos indicó la incrustación de deuterio en la red de tantalio y la posterior liberación de deuterio después del recocido. En general, el comportamiento del tantalio pulverizado en frío es similar al Ta a granel en lo que respecta a la evolución estructural y composicional tras la irradiación D y exposiciones de hasta 1100 K.
Estas características demuestran la idoneidad de los recubrimientos de tantalio pulverizado en frío para la captura y regeneración de deuterio para las aplicaciones. en dispositivos de fusión a pequeña escala. Se espera que la porosidad a nanoescala del recubrimiento por pulverización en frío proporcione un mecanismo adicional para mejorar la captura de deuterio. El nivel de porosidad en los recubrimientos de tantalio se puede controlar con bastante facilidad cambiando los parámetros de pulverización en frío. El efecto de la microestructura y el papel de los defectos a escala fina en la retención de deuterio en la pulverización fría es el tema de la siguiente fase de nuestro estudio.
“We discovered that the cold spray tantalum coating absorbs much more hydrogen than bulk tantalum because of the unique microstructure of the coating,” says Professor Kumar Sridharan. https://t.co/kTSKSZXXdi
— US Fusion Energy (@USFusionEnergy) December 20, 2023
