Le leghe metalliche possono supportare l'energia di fusione nucleare

PNNL

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I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno annunciato di aver osservato per la prima volta un guadagno netto nell’energia da fusione nucleare alla fine del 2022. La ricerca rappresenta un’enorme pietra miliare verso l’energia da fusione che può alimentare milioni di case e aziende con un’enorme quantità di carbonio. fonte di energia neutra. Tuttavia, convertire questo risultato in una pratica fonte di energia nucleare richiede tecnologie innovative per dare vita a una società alimentata dalla fusione.

Gli scienziati del Virginia Polytechnic Institute and State University e del Pacific Northwest National Laboratory stanno lavorando per trasformare questo obiettivo in realtà attraverso i loro sforzi nella ricerca sui materiali. Il loro recente lavoro pubblicato su Scientific Reports includeva il caso delle leghe di tungsteno e mostrava come il metallo potrebbe essere migliorato per l'uso in reattori avanzati a fusione nucleare copiando la struttura di una conchiglia.

Jacob Haag, il primo autore della ricerca, ha affermato che questo è il primo studio su tali interfacce materiali su scale di lunghezza troppo piccole. Ha aggiunto che hanno anche rivelato alcuni meccanismi fondamentali che governano la tenacità e la durata dei materiali.

Il sole ha una temperatura interna di circa 27 milioni di gradi Fahrenheit ed è alimentato dalla fusione nucleare. Pertanto, il fatto che le reazioni di fusione nucleare producano molto calore è comprensibile. Prima che gli scienziati possano sfruttare l’energia di queste reazioni e trasformarle in energia, devono sviluppare reattori avanzati a fusione nucleare in grado di resistere alle alte temperature e alle condizioni di irradiazione che si sviluppano nelle reazioni di fusione.

Il tungsteno ha il punto di fusione più alto tra tutti gli elementi disponibili sul pianeta Terra. Questo lo rende uno dei migliori materiali per i reattori a fusione nucleare. Tuttavia, il metallo può anche essere fragile, rendendo possibile la miscelazione con altri metalli. Mescolandolo con altri metalli, come ferro e nichel, può aiutare a creare una lega più resistente del tungsteno ma che conserva le sue proprietà di elevata fusione.

Non è semplicemente la composizione che conferisce a queste leghe di tungsteno le loro proprietà, ma il trattamento termomeccanico del metallo che porta allo sviluppo di tenacità e resistenza alla trazione.

Utilizzando uno specifico metodo di laminazione a caldo, sono state realizzate leghe pesanti di tungsteno con microstrutture che assomigliano alla madreperla, o madreperla, che si trova nelle conchiglie. La madreperla è apprezzata per i suoi splendidi colori iridescenti e la straordinaria forza. Le leghe pesanti di tungsteno che si avvicinano alla madreperla sono state studiate dai gruppi di ricerca del PNNL e della Virginia Tech per potenziali applicazioni nella fusione nucleare.

NNehring/iStock

Secondo Haag, "Abbiamo cercato di sapere perché questi materiali hanno capacità meccaniche praticamente inaudite nel regno dei metalli e delle leghe".

Per esaminare la microstruttura delle leghe, Haag e il suo team hanno utilizzato tecniche avanzate come la microscopia elettronica a trasmissione per analizzare la struttura atomica della lega. Inoltre, hanno anche lavorato sulla mappatura della composizione su scala nanometrica del materiale combinando la tomografia con sonda atomica e la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia.

La lega pesante di tungsteno è composta da due fasi separate che coesistono all'interno della struttura simile alla madreperla: una fase "dura" che è quasi tungsteno puro e una fase "duttile" composta da una combinazione di nichel, ferro e tungsteno. I risultati dello studio indicano un eccellente legame tra le diverse fasi, comprese le fasi "dura" e "duttile", strettamente accoppiate, come fonte dell'elevata resistenza delle leghe pesanti di tungsteno.

Secondo Wahyu Setyawan, scienziato computazionale del PNNL e coautore dello studio, "le due diverse fasi generano un composito resistente, ma pongono grossi ostacoli nella generazione di campioni di alta qualità per la caratterizzazione. Ciò ci ha permesso di esporre i dettagli precisi struttura dei confini interfase e la gradazione chimica attraverso questi confini, grazie allo straordinario lavoro dei membri del nostro team."