La energía de fusión práctica no es solo un sueño en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía. Los expertos en fusión y ciencia de los materiales están trabajando juntos para desarrollar soluciones que harán posible una planta piloto de fusión y, en última instancia, abundante electricidad de fusión libre de carbono.

Como jefe de la Sección de Ingeniería, Tecnología y Ciencia Nuclear de Fusión del laboratorio, Chuck Kessel está familiarizado con los desafíos relacionados con los materiales que deben abordarse para construir una planta de energía. Kessel no necesitaba buscar más allá de Bruce Pint, jefe del Grupo de ciencia y tecnología de la corrosión de ORNL, en busca de un colaborador.

Pint ha estado estudiando materiales resistentes a la corrosión y de alta temperatura para aplicaciones de generación de energía durante décadas. Su trabajo se ha centrado principalmente en la corrosión y oxidación de gas-metal o aleaciones para centrales eléctricas de carbón, gas y nucleares. Examinar líquidos corrosivos en el contexto de la energía de fusión representa un desafío diferente y más difícil.

"Es un poco de ciencia y un poco de arte lo que se incluye en todo el asunto", dijo Pint.

Un desafío crítico para la fusión es cómo producir y recuperar tritio, un isótopo de hidrógeno pesado que, junto con su primo más liviano, el deuterio, servirá como combustible para los reactores de fusión del mañana.

En una reacción de fusión, estos isótopos se calientan a temperaturas similares a las del sol en un plasma donde chocan para formar helio y un neutrón, liberando energía en forma de energía cinética. Al dirigir esos veloces neutrones al litio, un metal más común, los científicos pueden producir tritio dentro del propio reactor.

Una estrategia prometedora para producir tritio en un reactor de fusión consiste en canalizar plomo-litio líquido a través de la "manta" del reactor:las paredes internas que están hechas de acero especializado con inserciones de canal de flujo de carburo de silicio. Sin embargo, hay una trampa:el flujo continuo de plomo-litio corroerá gradualmente el acero. Minimizar esa corrosión es un paso crucial para una planta de energía de fusión viable.

"Este tipo de manto, con un criador líquido que fluye a través de él y corroe estos materiales, está fundamentalmente limitado por este mecanismo de corrosión", dijo Kessel.

Marie Romedenne, quien estudió metales líquidos para su doctorado y se unió a ORNL en 2019, está ayudando a Pint y aprendiendo más sobre los métodos experimentales de metales líquidos de ORNL que se han utilizado desde la década de 1950.

Muchos factores contribuyen a las tasas de corrosión, incluida la composición de los materiales expuestos; cuánto tiempo está expuesto; qué tan rápido fluye el líquido; los fuertes campos magnéticos utilizados para controlar y confinar el plasma; la temperatura; e impurezas en el sistema. Este desafío de corrosión les dio a Pint y Romedenne la oportunidad de trazar varios experimentos diseñados para desenredar estos factores mientras se acercaban a las condiciones de un reactor de fusión real.

El equipo construyó una serie de bucles de flujo que probaron materiales en diversas condiciones, incluidas temperaturas de hasta 700 grados centígrados. Dentro del bucle, los científicos insertaron especímenes de un acero similar al que se usaría para los componentes de un dispositivo de fusión, además de especímenes de carburo de silicio. De acuerdo con los diseños de fusión actuales, el carburo de silicio reduce la caída de presión en el flujo de plomo-litio al aislar eléctricamente el fluido de las paredes de acero. Este enfoque admite la coexistencia e interacción de los tres materiales, con el plomo-litio mediando entre el acero y el carburo de silicio.

Después de cada experimento de 1000 horas, las muestras se probaron para ver si se habían vuelto quebradizas y cuánta masa se había perdido por disolución en el litio de plomo líquido o, alternativamente, añadida por compuestos recién formados.

En el primer experimento, Pint y Romedenne descubrieron que el hierro y el cromo del acero se disolvían en el líquido, que luego reaccionaba con las muestras de carburo de silicio para formar compuestos intermetálicos, siliciuros y carburos de hierro y cromo. A medida que estos compuestos recién formados fluían a través del circuito, se acumulaban en las muestras de carburo de silicio en el extremo más frío del circuito, lo que generaba una capa relativamente gruesa.

"En realidad, fue bastante espectacular, un par de cientos de micrones de espesor", dijo Pint. "Pensé que podría reaccionar un poco. No esperaba que reaccionara tanto".

Pint y Romedenne también descubrieron que bajar la temperatura alta del circuito de 700 a 650 grados centígrados resultó en una acumulación mucho más lenta de los compuestos recién formados.

"Si solo tiene carburo de silicio y no tiene una fuente de hierro y cromo para poner en el líquido, no verá esta reacción", dijo Pint. "Nadie había juntado todas las piezas antes".

Cuando el hierro y el cromo reaccionaron con el carburo de silicio, el plomo-litio corroyó drásticamente las muestras de acero. "Apenas estaban allí después de que terminó la prueba", dijo.

En el segundo experimento, el equipo recubrió el acero con una fina capa de aluminio para protegerlo del líquido corrosivo, la primera vez que esto se hace en un experimento de flujo. Los resultados, dijo Pint, fueron alentadores.

"La corrosión sigue ocurriendo, incluso cuando tratamos de abrochar todo lo más posible", dijo Pint. "Pero bajamos las cosas a un nivel más manejable. Ninguna de nuestras muestras de acero revestido se degradó significativamente".

En los próximos experimentos, Pint y Romedenne planean usar una capa más delgada de aluminio para minimizar la cantidad de ese elemento que termina en el sistema. También planean duplicar la duración de los experimentos a 2000 horas para estudiar mejor el crecimiento de la capa reactiva en el lado frío del circuito.

Para aventurarse más allá de los límites de sus bucles experimentales, Romedenne está utilizando modelos y simulaciones para predecir la vida útil de la corrosión de los materiales de fusión en duraciones industriales:50 000 horas o más. Pero se necesitan experimentos continuos y nuevos entornos de prueba para validar y mejorar estos modelos.

Kessel está sentando las bases para el desarrollo de un bucle de flujo avanzado, que incluiría imanes para ayudar a medir el impacto de los campos magnéticos en las tasas de corrosión.

"Queremos crear un entorno lo más prototípico posible que nos permita identificar, demostrar y optimizar soluciones reales para una planta piloto de fusión", dijo Kessel. + Explora más

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