Los ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han utilizado una tecnología de recubrimiento por pulverización para producir un nuevo material resistente que puede soportar las duras condiciones dentro de un reactor de fusión.

El avance, detallado en un artículo publicado recientemente en la revista Physica Scripta , podría permitir reactores de fusión compactos más eficientes y más fáciles de reparar y mantener.

"La comunidad de la fusión está buscando urgentemente nuevos enfoques de fabricación para producir de forma económica grandes componentes orientados al plasma en reactores de fusión", afirma Mykola Ialovega, investigadora postdoctoral en ingeniería nuclear e ingeniería física en la Universidad de Washington-Madison y autora principal del artículo. "Nuestra tecnología muestra mejoras considerables con respecto a los enfoques actuales. Con esta investigación, somos los primeros en demostrar los beneficios del uso de la tecnología de recubrimiento por pulverización en frío para aplicaciones de fusión".

Los investigadores utilizaron un proceso de pulverización en frío para depositar una capa de tantalio, un metal que puede soportar altas temperaturas, sobre acero inoxidable. Probaron su recubrimiento de tantalio por pulverización en frío en las condiciones extremas propias de un reactor de fusión y descubrieron que funcionaba muy bien. Es importante destacar que descubrieron que el material es excepcionalmente bueno para atrapar partículas de hidrógeno, lo que resulta beneficioso para dispositivos de fusión compactos.

"Descubrimos que el recubrimiento de tantalio pulverizado en frío absorbe mucho más hidrógeno que el tantalio a granel debido a la microestructura única del recubrimiento", dice Kumar Sridharan, profesor de ingeniería nuclear, ingeniería física y ciencia e ingeniería de materiales. Durante la última década, el grupo de investigación de Sridharan ha introducido la tecnología de pulverización en frío en la comunidad de la energía nuclear, implementándola en múltiples aplicaciones relacionadas con los reactores de fisión.

"La simplicidad del proceso de pulverización en frío lo hace muy práctico para las aplicaciones", afirma Sridharan.

En los dispositivos de fusión, el plasma (un gas de hidrógeno ionizado) se calienta a temperaturas extremadamente altas y los núcleos atómicos del plasma chocan y se fusionan. Ese proceso de fusión produce energía. Sin embargo, algunos iones de hidrógeno pueden neutralizarse y escapar del plasma.

"Estas partículas neutras de hidrógeno provocan pérdidas de energía en el plasma, lo que hace que sea muy difícil mantener un plasma caliente y tener un pequeño reactor de fusión eficaz", dice Ialovega, que trabaja en el grupo de investigación de Oliver Schmitz, profesor de ingeniería nuclear y ingeniería física.

Es por eso que los investigadores se propusieron crear una nueva superficie para las paredes del reactor orientadas al plasma que podría atrapar partículas de hidrógeno cuando chocan con las paredes.

El tantalio es intrínsecamente bueno para absorber hidrógeno, y los investigadores sospecharon que crear un recubrimiento de tantalio mediante un proceso de pulverización en frío aumentaría aún más su capacidad para atrapar hidrógeno.

Crear una capa rociada en frío es algo así como usar una lata de pintura en aerosol. Consiste en impulsar partículas del material de recubrimiento a velocidades supersónicas sobre una superficie. Tras el impacto, las partículas se aplanan como panqueques y cubren toda la superficie, preservando al mismo tiempo los límites a nanoescala entre las partículas de recubrimiento. Los investigadores descubrieron que esos pequeños límites facilitan la captura de partículas de hidrógeno.

Ialovega realizó experimentos con el material recubierto en las instalaciones de la Universidad Aix Marseille en Francia y Forschungszentrum Jülich GmbH en Alemania. Durante estos experimentos, descubrió que cuando calentaba el material a una temperatura más alta, expulsaba las partículas de hidrógeno atrapadas sin modificar los recubrimientos, un proceso que esencialmente regenera el material para que pueda usarse nuevamente.

"Otra gran ventaja del método de pulverización en frío es que nos permite reparar los componentes del reactor in situ aplicando un nuevo revestimiento", afirma Ialovega. "Actualmente, los componentes dañados de los reactores a menudo necesitan ser retirados y reemplazados por una pieza completamente nueva, lo cual es costoso y requiere mucho tiempo."

Los investigadores planean utilizar su nuevo material en el espejo axial simétrico HTS de Wisconsin (WHAM). El dispositivo experimental está en construcción cerca de Madison, Wisconsin, y servirá como prototipo para una futura planta de energía de fusión de próxima generación que Realta Fusion, filial de UW-Madison, pretende desarrollar. Ubicado en el Laboratorio de Ciencias Físicas, el experimento WHAM es una asociación entre UW-Madison, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y Commonwealth Fusion Systems.

"La creación de un compuesto de metal refractario con estas características de manejo bien controlado del hidrógeno combinado con resistencia a la erosión y resiliencia general del material es un gran avance para el diseño de dispositivos de plasma y sistemas de energía de fusión", dice Schmitz. "La perspectiva de cambiar la aleación e incluir otros metales refractarios para mejorar el compuesto para aplicaciones nucleares es particularmente emocionante".

Más información: Mykola Ialovega et al, Estudio inicial sobre la estabilidad térmica del recubrimiento de tantalio por pulverización en frío irradiado con deuterio para aplicaciones de fusión, Physica Scripta (2023). DOI:10.1088/1402-4896/ad0098

Proporcionado por la Universidad de Wisconsin-Madison