Indagine sulla forza interfacciale nella madreperla

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 575 (2023) Citare questo articolo

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Le leghe pesanti di tungsteno sono state proposte come componenti di materiali rivolti verso il plasma nei reattori a fusione nucleare e richiedono indagini sperimentali per la loro conferma. A questo scopo, una lega 90W–7Ni–3Fe è stata selezionata e manipolata microstrutturalmente per presentare una struttura multifase in mattoni e malta di "mattoni" in fase W circondati da una "malta" duttile. Questo lavoro trae ispirazione dalla natura per imitare artificialmente la straordinaria combinazione di forza e rigidità esibita dai molluschi e produrre un composito a matrice metallica che imita la madreperla in grado di resistere all’ambiente estremamente ostile dell’interno del reattore e mantenere l’integrità strutturale. I meccanismi alla base di questa integrità sono stati studiati attraverso tecniche di caratterizzazione strutturale e chimica ad alta risoluzione e hanno rivelato confini di fase chimicamente diffusi che mostrano una coerenza reticolare inaspettata. Queste caratteristiche sono state attribuite ad un aumento dell'energia richiesta per la decoesione interfacciale in questi sistemi e alla simultanea espressione di elevata resistenza e tenacità nelle leghe pesanti di tungsteno.

Gli ambienti estremamente difficili richiedono materiali estremamente robusti. Pochi casi di studio dimostrano questa affermazione meglio dei materiali per i reattori a fusione nucleare. I vincoli di progettazione all'interno del reattore, in particolare nella regione del divertore, includono temperature operative normali che raggiungono i 1.300 °C1, ripetuti attacchi di plasma che portano a enormi shock termici2,3 e un'esposizione prolungata ai danni da irradiazione sotto forma di bombardamento di neutroni e impiantazione di ioni a energie estreme e tassi di dose. Queste condizioni sfavorevoli precludono l’implementazione della maggior parte dei materiali convenzionali. I materiali selezionati per gli ambienti dei reattori a fusione non devono solo sopravvivere a questo ambiente unico, ma prosperare; fornendo un servizio strutturale a lungo termine in uno degli ambienti più innegabilmente ostili mai concepiti.

Finora, una varietà di materiali sono stati sottoposti a prove per dimostrare la loro fattibilità come piastrelle divertori nei reattori a fusione, ma hanno avuto un successo limitato. Inizialmente le piastrelle a base di carbonio furono selezionate per la loro elevata temperatura di fusione e la diffusa disponibilità, ma si scoprì che si erodevano durante il funzionamento. Inoltre, è stato notato che queste piastrelle si legano al trizio, portando a livelli di attività inaccettabilmente elevati4,5. In sostituzione, sono state scelte piastrelle W pure a causa della loro elevata temperatura di fusione e del basso tasso di sputtering, ma è stato osservato che sviluppano crepe e fratture sotto carichi termici ripetuti1,6,7,8. Questa generazione di crepe indesiderate può essere parzialmente attenuata attraverso la manipolazione della geometria e del posizionamento delle piastrelle7, tuttavia è anche prudente selezionare un materiale che mantenga i vantaggi di W superando al tempo stesso la sua intrinseca bassa resistenza alla frattura. Per combattere il comportamento fragile del tungsteno pur mantenendo la combinazione desiderata di elevata temperatura di servizio e velocità di sputtering limitata, Neu et al hanno proposto una classe di leghe note come leghe pesanti di tungsteno (WHA). per tegole divergenti nelle prove sperimentali del 20161. Queste leghe sembrano essere ottimi candidati per i componenti dei materiali rivolti al plasma (PFMC) poiché mantengono un elevato contenuto di tungsteno (≥ 90%) insieme a una fase secondaria, tradizionalmente costituita da Ni e Fe o Cu. Questa fase secondaria aumenta la tenacità alla frattura di W attraverso un fenomeno noto come incrudimento in fase duttile (DPT); essenzialmente l'introduzione mirata di un materiale duttile in un materiale più duro e fragile per migliorare la duttilità. In particolare, è stata perseguita la temperatura di fusione più elevata del Ni-Fe contenente WHA rispetto alla fase duttile a base di Cu a causa delle elevate temperature operative riscontrate all'interno del reattore. Finora, gli WHA W-Ni-Fe hanno ricevuto risultati positivi nelle loro prove iniziali come PFMC e in reattori di prova come l'aggiornamento ASDEX e test esterni1,2,3,7,8,9. Sebbene la loro proposta adozione sia ancora agli inizi, rimane ancora sconosciuto il loro comportamento in servizio prolungato all'interno del reattore a fusione, in particolare per quanto riguarda la diversa forza del confine di fase e il comportamento di irradiazione.