Investigadores informan sobre aleaciones metálicas que podrían sustentar energía de fusión nuclear

24 de enero de 2023

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por Sarah Wong, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

A fines de 2022, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore anunciaron que habían observado una ganancia neta de energía a través de la fusión nuclear por primera vez. Este hito monumental hacia la energía de fusión representa un gran paso adelante en el suministro de energía a nuestros hogares y negocios con la fuente de energía neutra en carbono. Pero convertir este logro científico en una fuente de energía práctica también requiere nuevas tecnologías para hacer realidad una sociedad impulsada por fusión.

Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y el Instituto Politécnico de Virginia y la Universidad Estatal (Virginia Tech) están ayudando a lograr este objetivo a través de sus esfuerzos de investigación de materiales. Su trabajo reciente, publicado en Scientific Reports, defiende las aleaciones pesadas de tungsteno y muestra cómo se pueden mejorar para su uso en reactores de fusión nuclear avanzados imitando la estructura de las conchas marinas.

"Este es el primer estudio que observa estas interfaces de materiales en escalas de longitud tan pequeñas", dijo Jacob Haag, primer autor del artículo de investigación. "Al hacerlo, revelamos algunos de los mecanismos fundamentales que gobiernan la dureza y durabilidad del material".

El sol, con una temperatura central de alrededor de 27 millones de grados Fahrenheit, funciona con fusión nuclear. Por lo tanto, no debería sorprender que las reacciones de fusión produzcan mucho calor. Antes de que los científicos puedan aprovechar la energía de fusión como fuente de energía, deben crear reactores de fusión nuclear avanzados que puedan soportar las altas temperaturas y las condiciones de irradiación que acompañan a las reacciones de fusión.

De todos los elementos de la Tierra, el tungsteno tiene uno de los puntos de fusión más altos. Esto lo convierte en un material particularmente atractivo para su uso en reactores de fusión. Sin embargo, también puede ser muy frágil. La mezcla de tungsteno con pequeñas cantidades de otros metales, como el níquel y el hierro, crea una aleación que es más resistente que el tungsteno solo y conserva su alta temperatura de fusión.

No es solo su composición lo que le da a estas aleaciones pesadas de tungsteno sus propiedades: el tratamiento termomecánico del material puede alterar propiedades como la resistencia a la tracción y la tenacidad a la fractura. Una técnica particular de laminación en caliente produce microestructuras en aleaciones pesadas de tungsteno que imitan la estructura del nácar, también conocido como nácar, en conchas marinas. Se sabe que el nácar exhibe una fuerza extraordinaria, además de sus hermosos colores iridiscentes. Los equipos de investigación de PNNL y Virginia Tech investigaron estas aleaciones pesadas de tungsteno que imitan al nácar para posibles aplicaciones de fusión nuclear.

"Queríamos entender por qué estos materiales exhiben propiedades mecánicas casi sin precedentes en el campo de los metales y las aleaciones", dijo Haag.

Para observar más de cerca la microestructura de las aleaciones, Haag y su equipo utilizaron técnicas avanzadas de caracterización de materiales, como la microscopía electrónica de transmisión de barrido para observar la estructura atómica. También cartografiaron la composición a nanoescala de la interfaz del material mediante una combinación de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía y tomografía con sonda atómica.

Dentro de la estructura similar al nácar, la aleación pesada de tungsteno consta de dos fases distintas: una fase "dura" de tungsteno casi puro y una fase "dúctil" que contiene una mezcla de níquel, hierro y tungsteno. Los hallazgos de la investigación sugieren que la alta resistencia de las aleaciones pesadas de tungsteno proviene de una excelente unión entre las diferentes fases, incluidas las fases "duras" y "dúctiles" íntimamente unidas.

"Si bien las dos fases distintas crean un compuesto resistente, plantean desafíos importantes en la preparación de especímenes de alta calidad para la caracterización", dijo Wahyu Setyawan, científico computacional de PNNL y coautor del artículo. "Los miembros de nuestro equipo hicieron un excelente trabajo al hacerlo, lo que nos permite revelar la estructura detallada de los límites de la interfase, así como la gradación química a través de estos límites".

El estudio demuestra cómo la estructura cristalina, la geometría y la química contribuyen a las fuertes interfaces de materiales en las aleaciones pesadas de tungsteno. También revela mecanismos para mejorar el diseño y las propiedades de los materiales para aplicaciones de fusión.

"Si estas aleaciones bifásicas se van a utilizar en el interior de un reactor nuclear, es necesario optimizarlas para la seguridad y la longevidad", dijo Haag.

Los hallazgos presentados en este estudio ya se están ampliando en muchas dimensiones dentro de PNNL y en la comunidad de investigación científica. La investigación de modelado de materiales multiescala está en marcha en PNNL para optimizar la estructura, la química y probar la resistencia de interfaces de materiales diferentes, así como investigaciones experimentales para observar cómo se comportan estos materiales bajo las temperaturas extremas y las condiciones de irradiación de un reactor de fusión.

"Es un momento emocionante para la energía de fusión con intereses renovados de la Casa Blanca y los sectores privados. La investigación que hacemos para encontrar soluciones materiales para operaciones prolongadas es de vital importancia para acelerar la realización de reactores de fusión". dijo Setyawan.

Otros autores de PNNL son Jing Wang (anteriormente de PNNL), Karen Kruska, Matthew Olszta, Charles Henager, Danny Edwards y Mitsu Murayama, quien también tiene una cita conjunta con Virginia Tech.

Más información: JV Haag et al, Investigación de la resistencia interfacial en aleaciones pesadas de tungsteno que imitan el nácar para aplicaciones de fusión nuclear, Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-022-26574-4

Información del diario:Informes científicos

Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico