La sfida critica del calore estremo nei reattori di fusione

La ricerca di centri energetici di fusione commerciale sulla replica dei processi che alimentano il sole. In un reattore di fusione, gli isotopi di idrogeno sono riscaldati a oltre 150 milioni di gradi Celsius, formando un plasma che si fonde in elio e rilascia energia enorme. Mentre il plasma stesso è contenuto magneticamente, le pareti del reattore, soprattutto la prima parete e il divertore, devono sopportare la maggior parte dei flussi di calore intensi, il degrado di neutroni e il particole.

La sfida non è semplicemente ad alta temperatura. Le pareti devono anche sopportare carichi termici ciclici (funzionamento a spinta in tokamaks), neutroni ad alta energia che spostano gli atomi e creano bolle di elio, e schizzando dalle particelle di plasma. Un materiale che eccelle in una zona può fallire in un'altra. I ricercatori stanno quindi perseguendo una strategia multi-prong: avanzati metal refractory, sistemi compositi ceramici.

Richieste termiche e meccaniche su materiali di prima qualità

I componenti di un reattore a fusione (PFC) devono operare sotto flussi di calore a stato costante di diversi megawatt per metro quadrato, con eventi transitori come i modi localizzati del bordo (ELM) che producono esplosioni dieci volte più alte.

Il Tritium è un isotopo scarso e radioattivo; qualsiasi materiale che assorbe il tritium riduce l'efficienza del combustibile e solleva le preoccupazioni di sicurezza. Beryllium, utilizzato nel Joint European Torus (JET) e ITER, mantiene il tritium pesantemente, mentre il tungsteno mostra una ritenzione molto più bassa. Il design delle pareti del reattore deve quindi bilanciare le prestazioni termiche, la resistenza all'erosione e la gestione del tritiero.

Metalli di rincoraggio: tungsteno, molibdeno, e oltre

Tungsteno come il primo candidato

Tungsteno è il materiale più studiato per le superfici al plasma-facing a causa del suo punto di fusione più alto di tutti i metalli (3,422 °C), basso rendimento di sputtering, e bassa ritenzione di tritium. Ha anche una buona conducibilità termica (170 W/m·K a temperatura ambiente, anche se diminuisce ad alta temperatura). Queste proprietà rendono tungsteno il materiale base per il divertore ITER.

Molibdeno e le sue leghe

Molibdeno, con un punto di fusione di 2,623 °C, è un'altra opzione refrattaria. Ha una minore conducibilità termica di tungsteno ma è più facile da lavorare. Leghe di molibdeno come TZM (titanium-zirconium-molybdenum) offrono una resistenza superiore alle alte temperature e sono utilizzate in impianti di prova ad alto calore-flusso di tungsteno.

Leghe di riflessione avanzate

Leghe più esotiche sono i sistemi W-Ta-V e W-Ta-Cr che mirano a combinare alti punti di fusione con una migliore resistenza alle radiazioni. Leghe di Vanadium (ad esempio, V-4Cr-4Ti) sono state studiate anche per le loro caratteristiche di bassa attivazione - diventano meno radioattive dopo l'esposizione ai neutroni rispetto agli acciai ferritici.

Ceramica e Ceramica Matrix Composites

Carburo di silicio (SiC) e SiC/SiC composito

Il carburo di silicio (SiC) è una ceramica con eccezionale stabilità termica (decomposta sopra i 2.700 °C), bassa densità, elevata durezza e resistenza all'irradiazione di neutroni. I compositi di carburo di silicio rinforzati in fibra continua (SiC/SiC) sono sviluppati come materiali strutturali per le coperte di fusione, la regione dietro la prima parete che riproducono il tritium e gli estratti di calore.

Carburi e Nitridi di rifrattorio

I carburi come i carburi di HrC hanno anche un vantaggio di grande spessore, ma anche di quelli di HrC, che hanno un vantaggio di grande spessore, sono molto complessi di HrC () e di HfC () hanno dei punti di fusione sopra i 3.500 °C (TaC80)

Compositi di grafite e di carbonio

I materiali a base di carbonio sono stati utilizzati nei primi tokamaks come JET e sono ancora utilizzati in alcuni disegni divertori a causa della loro alta resistenza agli urti termici e basso numero atomico (che riduce le perdite di radiazione al plasma). Tuttavia, il carbonio soffre di elevata erosione da parte di sputtering chimico (formando idrocarburi) e alta ritenzione di tritium.

Componenti per il fissaggio del metallo liquido

Un'alternativa alle pareti solide è l'utilizzo di un metallo liquido fluente come la superficie al plasma. Il litio liquido, il gallio, la stagno o le loro leghe possono potenzialmente auto-guarire il calore attraverso la convezione, e rimuovere continuamente le impurità. Il metallo liquido più studiato è la riduzione del litio, che ha anche proprietà di densificazione del plasma, cattura l'ossigeno e il tritium.

Tecniche di raffreddamento e gestione del calore avanzate

Raffreddamento a microcanale e a caldo

Il raffreddamento ad acqua tradizionale viene utilizzato in ITER con ebollizione a flusso subcooled, ma l'acqua ha un limite di flusso critico e può causare corrosione e corrosione di sforzo che si rompe in acciaio inox. I concetti avanzati includono il raffreddamento a microcanale, dove i piccoli canali (50–200 μm) sono incisi nella superficie del dissipatore di calore, aumentando notevolmente i coefficienti di trasferimento di calore.

Le pompe di raffreddamento a liquido e a carbone

Per i reattori demo al di là dell'ITER, il raffreddamento del gas elio è favorito perché è inerte, non corrosivo, e può operare ad alta temperatura (700-900 °C) nella conversione di potenza a ciclo diretto. Il design DEMO europeo utilizza una coperta di letto di ciottolo raffreddato ad elio.

Rivestimenti per barriera termica

In alcuni concetti, un rivestimento termico di barriera (TBC) realizzato in zirconi stabilizzati a zirconi (YSZ) o di zirconi a terra rara viene applicato ai materiali strutturali dietro la prima parete per ridurre il flusso di calore in componenti di acciaio. Questi rivestimenti vengono presi in prestito dalla tecnologia delle turbine a gas, ma devono essere adattati per resistere alle radiazioni di neutroni e all'erosione dal plasma.

Rivestimenti e ingegneria delle superfici

Spesso non è il materiale di massa ma la superficie che non riesce prima. Le superfici di rivestimento di plasma sono erose da sputtering, ridipingiti, e possono formare strati misti (ad esempio, beryllium-tungsten) che degradano le prestazioni.

Un'altra area emergente è auto-passivante lega di tungsteno che formano uno strato di ossido stabile ad alta temperatura in caso di ingresso dell'aria (ad esempio, da una rottura di tubo refrigerante).Leghe di tungsteno SMART (W-Cr-Y) sviluppate dal consorzio di EUROfusion mostrano ridotti tassi di ossidazione da ordini di magnitudo rispetto al tungsteno puro. Inoltre, nano-strato di resistenza (ad esempio, microcroni di tungsteno miglioratitoniciatura dimostrati

Produzione e assemblaggio di sfide

Tungsteno è duro e fragile; la lavorazione e la saldatura richiedono tecniche speciali. La produzione aggiuntiva (3D stampa) di tungsteno e componenti SiC è un'area di ricerca attiva. La fusione laser selettiva (SLM) di tungsteno è stata raggiunta ma richiede un controllo attento dei parametri per evitare porosità e cracking.

Test e servizi sperimentali

I materiali di rischio devono essere testati in condizioni di fusione realistiche. Il progetto [FLT: 1) sarà il primo ad integrare molti di questi materiali in un ambiente plasmatico in fiamme, ma non inizierà le operazioni fino alla fine degli anni 2030.

Per una maggiore fluidità dei neutroni, il FMIF International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) è stato proposto di fornire spettri di neutroni a fusione-relativi utilizzando reazioni di deuteron-lithium. IFMIF sarà essenziale per qualificare i materiali per la fusione per DEMO.

Le direzioni future e il ruolo dell'apprendimento della macchina

La ricerca di nuovi materiali è sempre più guidata da metodi computazionali. I calcoli di teoria funzionale ad alta densità (DFT) possono visualizzare migliaia di composizioni di lega per identificare i candidati con alti punti di fusione, bassi rendimenti di sputtering e buona resistenza alle radiazioni. I modelli di apprendimento della macchina formati su dati esistenti possono prevedere proprietà come conducibilità termica, stabilità di fase e tolleranza ai danni di neutroni.

In ceramica, alcuni acciai di dispersione di ossido (ODS) e leghe di nano-precipitato possono intrappolare l'elio ai confini del grano, riducendo l'embrittlement.

Conclusioni

Il percorso dai metalli refrattari di base ai compositi avanzati e ai metalli liquidi rappresenta una notevole sintesi di scienza dei materiali, ingegneria nucleare e fisica ad alta temperatura. Mentre il tungsteno rimane il cavalletto di lavoro per dispositivi a breve termine come ITER, soluzioni a più lungo termine come SiC/SiC composito, multifase ceramiche di fusione valida e sistemi metallici liquidi devono essere