En la búsqueda de energía limpia e inagotable, la fusión nuclear es una frontera prometedora. Pero en los reactores de fusión, donde los científicos intentan generar energía fusionando átomos, imitando el proceso de generación de energía del sol, las cosas pueden calentarse extremadamente. Para superar esto, los investigadores han profundizado en la ciencia del manejo del calor, centrándose en un metal especial llamado tungsteno.
Una nueva investigación, dirigida por científicos del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía, destaca el potencial del tungsteno para mejorar significativamente la tecnología de los reactores de fusión basándose en nuevos hallazgos sobre su capacidad para conducir calor. Este avance podría acelerar el desarrollo de materiales para reactores de fusión más eficientes y resistentes. Sus resultados se publicaron hoy en Science Advances. .
"Lo que nos entusiasma es el potencial de nuestros hallazgos para influir en el diseño de materiales artificiales para la fusión y otras aplicaciones energéticas", dijo el colaborador Siegfried Glenzer, director de la División de Alta Densidad de Energía de SLAC. "Nuestro trabajo demuestra la capacidad de sondear materiales a escala atómica, proporcionando datos valiosos para futuras investigaciones y desarrollos".
El tungsteno no es un metal cualquiera. Es fuerte, puede soportar temperaturas increíblemente altas y las olas de calor no lo deforman ni lo debilitan tanto como otros metales. Esto lo hace particularmente efectivo para conducir el calor de manera rápida y eficiente, que es exactamente lo que se necesita en las condiciones de súper calor de un reactor de fusión. La carga rápida de calor del tungsteno y sus aleaciones también se encuentra en muchas aplicaciones aeroespaciales, como toberas de motores de cohetes, escudos térmicos y revestimientos de palas de turbinas.
Comprender cómo funciona el tungsteno con el calor ofrece pistas sobre cómo fabricar nuevos materiales para reactores de fusión que sean aún mejores para mantenerse fríos bajo presión. En esta nueva investigación, los científicos desarrollaron una nueva forma de examinar de cerca cómo el tungsteno gestiona el calor a nivel atómico.
El equipo de investigación se propuso explorar el fenómeno de la dispersión de fonones, un proceso en el que interactúan las vibraciones de la red dentro de un material sólido, desempeñando un papel fundamental en la capacidad del material para conducir calor. Tradicionalmente, se subestimaba la contribución de los fonones al transporte térmico de los metales y se ponía más énfasis en el papel de los electrones. Mediante una combinación de modelado y técnicas experimentales de última generación, el equipo de investigación arrojó luz sobre el comportamiento de los fonones en el tungsteno.
En la "cámara electrónica" MeV-UED de alta velocidad de SLAC, los investigadores probaron el material con una técnica llamada dispersión difusa de electrones ultrarrápida (UEDS), que permitió al equipo observar y medir las interacciones entre electrones y fonones con una precisión sin precedentes. Este método implica disparar un láser para excitar los electrones del tungsteno y luego observar cómo estos electrones excitados interactúan con los fonones. La técnica UEDS captura la dispersión de electrones de los fonones, lo que permite a los investigadores observar estas interacciones en tiempo real con una precisión increíble.
UEDS permitió a los investigadores distinguir entre las contribuciones de la dispersión electrón-fonón y fonón-fonón al transporte térmico. Esta diferenciación es clave para comprender el complejo funcionamiento de la gestión del calor en materiales sujetos a las duras condiciones de un reactor de fusión.
"El desafío radica en distinguir las contribuciones de los fonones de los electrones en el transporte térmico", dijo el científico de SLAC Mianzhen Mo, quien dirigió la investigación. "Nuestro artículo presenta una técnica de vanguardia que resuelve estas contribuciones, revelando cómo se distribuye la energía dentro del material. Esta técnica nos permitió medir con precisión las interacciones entre electrones y fonones en tungsteno, brindándonos conocimientos que antes no se conocían. fuera de alcance."
Los resultados del estudio mostraron que en el tungsteno, la interacción entre los fonones es mucho más débil de lo esperado. Esta débil interacción fonón-fonón significa que el tungsteno puede conducir el calor de manera más eficiente de lo que se pensaba anteriormente.
"Nuestros hallazgos son particularmente relevantes para el diseño de materiales nuevos y más robustos para reactores de fusión", dijo su colaborador Alfredo Correa, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL). "Experimentos tan precisos proporcionan una validación excelente para la nueva técnica de simulación que empleamos en este trabajo para describir el transporte de calor y los movimientos microscópicos de átomos y electrones, lo que nos permite predecir cómo se comportarán los materiales en entornos extremos".
Como continuación de esta investigación, el equipo planea investigar el impacto de las impurezas, como el helio, en la capacidad del tungsteno para manejar el calor. La acumulación de helio, un producto de la transmutación de materiales inducida por neutrones de fusión, puede afectar el rendimiento y la longevidad del material.
"La siguiente fase de nuestra investigación explorará cómo el helio y otras impurezas afectan la capacidad del tungsteno para conducir calor", dijo Mo. "Esto es crucial para mejorar la vida útil y la eficiencia de los materiales de los reactores de fusión".
Comprender estas interacciones es fundamental para validar el modelado fundamental y desarrollar materiales que puedan soportar las rigurosas demandas de un reactor de fusión a lo largo del tiempo. Esto podría conducir a materiales aún mejores no sólo para los reactores de fusión, sino también en otros campos donde la gestión del calor es fundamental, desde la industria aeroespacial hasta la automotriz y la electrónica.
"Esta investigación no se trata sólo de mejorar los materiales para los reactores de fusión; se trata de aprovechar nuestra comprensión de la dinámica de los fonones para revolucionar la forma en que gestionamos el calor en una amplia gama de aplicaciones", dijo Glenzer. "No sólo estamos mejorando nuestra comprensión de cómo se comportan los materiales en condiciones extremas; estamos sentando las bases para un futuro en el que la energía de fusión limpia y sostenible pueda ser una realidad".
Más información: Mianzhen Mo et al, Observación directa del fuerte acoplamiento electrón-fonón dependiente del momento en un metal, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk9051
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
