Il team sviluppa una lega per aumentare l'energia di fusione

13 giugno 2023

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dal Laboratorio Nazionale di Los Alamos

Una lega a base di tungsteno di recente sviluppo che funziona bene in ambienti estremi simili a quelli dei prototipi di reattori a fusione può aiutare a sfruttare l’energia di fusione.

"La nuova lega mostra una promettente resistenza all'irradiazione e stabilità alle alte temperature e agli ambienti di irradiazione estrema utilizzati per rappresentare l'ambiente di un reattore a fusione", ha affermato Osman El Atwani, uno scienziato del Los Alamos National Laboratory.

"Lo sviluppo di questa lega, e l'accordo tra modellazione e sperimentazione che rappresenta, indica la strada verso lo sviluppo di ulteriori leghe utili, un passo essenziale per rendere la produzione di energia da fusione più robusta, economicamente vantaggiosa, economicamente prevedibile e attraente per gli investitori ."

Man mano che i concetti di energia da fusione si avvicinano al mondo reale, risolvere la sfida dei materiali è fondamentale. I risultati incoraggianti indicano che un paradigma di progettazione, come descritto da El Atwani e dai suoi collaboratori, e le leghe ad alta entropia potrebbero essere pronti a svolgere il loro ruolo nello sfruttare la promessa della fusione.

El Atwani è stato il ricercatore principale del progetto, che ha coinvolto diverse istituzioni nazionali e internazionali. I loro risultati sono stati pubblicati a maggio su Nature Communications.

La produzione di energia pulita attraverso la fusione richiede materiali in grado di resistere alle condizioni difficili – alte temperature, irradiazione (esposizione a radiazioni di neutroni ad alta energia e flussi di particelle di elio) e stress – associati alle reazioni di fusione che bruciano più calde del sole.

El Atwani e i suoi collaboratori hanno sviluppato una lega nanocristallina ad alta entropia, una lega composta da cinque o più elementi, con una forma cristallina a livello nanometrico (atomico). Il tungsteno, un elemento a lungo studiato per i componenti rivolti verso il plasma, è l'elemento principale della lega.

Sfortunatamente, gli attuali materiali di tungsteno hanno una vitalità limitata come componenti rivolti verso il plasma perché il materiale si degrada e si deforma in condizioni di fusione. Per sviluppare materiali più adatti alla fusione, il gruppo di ricerca ha utilizzato calcoli delle proprietà termofisiche, metodi computazionali avanzati e simulazioni eseguite presso diverse istituzioni tra cui Los Alamos, l'Autorità per l'energia atomica del Regno Unito, la Clemson University e l'Università di Varsavia.

Alla fine, l'elemento afnio è stato scelto per la miscela della lega in base alle prestazioni previste dalla modellazione e dalle simulazioni.

Dopo aver fabbricato le pellicole della lega presso il Centro per le nanotecnologie integrate di Los Alamos, una versione del materiale è stata irradiata presso l'Argonne National Laboratory. Un'altra versione è stata irradiata presso lo Ion Beam Materials Laboratory di Los Alamos. Tecniche avanzate, inclusa la microscopia elettronica a trasmissione in situ, mostrano che la lega ha resistito bene a queste dure condizioni sperimentali, che replicano un prototipo di fusione-energia nucleare.