Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

INCDFM participă la cursa ştiinţifică pentru realizarea reactoarelor de fuziune nucleară

03 August 2012



Fuziunea nucleară este în momentul de faţă cea mai credibilă sursă potenţială pentru energia viitorului. În acest sens, în Europa este în plină desfăşurare unul dintre cele mai mari proiecte ştiinţifice şi tehnologice la nivel global, Euratom fuziune. Din punctul de vedere al materialelor, problemele principale privesc componenţele care vor crea armura incintei care va conţine plasma, sistemul de preluare al energiei termice generate şi materialele pentru structura de rezistenţă a reactorului. Aceste materiale trebuie să reziste la temperaturi înalte şi fluxuri puternice de radiaţii, să fie capabile de a transfera rapid caldura şi, în acelaşi timp, să poată crea o structură puternică, capabilă să includă şi simultan să protejeze un volum mare de plasmă. Materialele şi tehnologiile industriale actuale de producere a acestora nu pot furniza acum soluţii conforme cerinţelor unui reactor de fuziune, dar, impreuna cu partenerii săi, INCDFM s-a dedicat tocmai efortului ştiinţific ce vizeaza aducerea frontierelor cunoaşterii în zona posibilului.


Monitorizarea computerizată în timp real a procesului
tehnologic la instalaţia de sintetizareasistată de câmp electric

HOTMAT, infrastructura INCDFM dedicată materialelor pentru medii extreme

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM) s-a alăturat în ultimii ani acestui efort global de cercetare pentru dezvoltarea unor materiale adecvate, utilizand o infrastructură recent creată pentru producerea şi investigarea materialelor pentru medii extreme, HOTMAT. Aceasta infrastructură, o investiţie de circa un milion de euro, este axată pe cele mai moderne tehnici şi echipamente pentru metalurgia pulberilor metalice, ceramice sau compozite (figura 1), precum şi pentru analiza proprietăţilor lor la temperaturi înalte. Principalele echipamente pentru producerea de materiale sunt cele de sinterizare asistată de câmpuri electrice, sinterizare asistată de presiune şi sinterizare asistată de câmpuri de microunde, iar prezenţa lor în cadrul aceluiaşi institut este unică în România şi rar întâlnită chiar şi în institute de top din Europa.
Echipamentul de sinterizare asistată de câmp electric sau "Spark Plasma Sintering" (SPS) este capabil să realizeze temperaturi de peste 22000 C, atât prin convecţie (încâlzire indirectă) cât şi prin descărcare electrică între grăunţii materialului. În plus, aparatul permite şi aplicarea unei forţe uniaxiale asupra materialului procesat. Avantajul cel mai mare este însă constituit de posibilitatea creşterii şi descreşterii temperaturii în mod controlat cu până la 400 grade/minut. Având în vedere faptul că aceste variaţii sunt generate de prezenţa sau absenţa descărcării electrice chiar în interiorul materialului, rezultă un timp necesar de lucru de ordinul zecilor de minute, foarte scurt dacă îl comparăm cu procesele de sinterizare clasică, care durează şi câteva zile pentru acelaşi material. Mai mult, un timp de procesare scurt diminuează creşterea grăunţilor, materialul final conservând morfologia pulberilor iniţiale, ceea ce permite realizarea de materiale masive nano-structurate. Expertiza cercetatorilor din grupul nostru a condus la o dezvoltare a capabilităţilor echipamentului pentru realizarea unor probe cu forme complexe şi extinderea domeniului de lucru în ce priveşte presiunea aplicabilă şi temperatura de lucru.
Echipamentul de sinterizare asistată de câmp de microunde "MicroWave Sintering" (MWS) poate de asemenea realiza viteze mari de încălzire/răcire precum şi temperaturi de lucru de până la 20000 C, în funcţie de calitatea de absorbant de microunde a materialului. Avantajul principal al echipamentului este dat de posibilitatea de procesare a unor componente cu forme şi dimensiuni arbitrare, în diferite tipuri de atmosfere (gaze de lucru, inerte sau active).
Echipamentul de sinterizare asistată de presiune "Hot Press Sintering" (HPS) este capabil să atingă temperaturi de până la 23000 C şi să aplice în acelaşi timp o forţă de 100 kN pe o secţiune cu diametrul de 5 cm. Avantajul principal, rezultând din modul de proiectare al echipamentului, îl constituie existenţa unei zone largi de temperatură foarte stabilă, asigurând astfel procese tehnologice caracterizate prin parametri precişi şi reproductibili.
Acestor instalatii li se adaugă în cadrul HOTMAT o moară planetară cu bile, cu 4 posturi de măcinare şi viteză de rotaţie de până la 400 rpm, utilizabilă atât pentru măcinare, cât şi pentru aliere mecanică, şi o instalaţie de topire de aliaje cu răcire ultrarapidă, de tip "melt spinning", cu ajutorul căreia se pot realiza benzi amorfe. Acestea pot fi utilizate ca atare în cadrul cercetărilor din institut sau pot constitui materiale precursoare pentru brazări sau realizarea de materiale compozite.
În ultimii ani, complementar HOTMAT, achiziţionarea de echipamente de ultimă generaţie, pentru diferite analize, precum şi expertiza recunoscută internaţional a cercetătorilor INCDFM, au condus la o expansiune rapidă a prezenţei institutului în proiectele din cadrul Euratom fuziune, acoperind o arie largă de tematici, de la aspecte de cercetare fundamentală, până la realizarea de machete pentru teste. Euratom fuziune este în primul rând un efort ştiinţific considerabil şi convergent în domenii precum fizica plasmei, fizica materialelor, inginerie şi informatică, pentru elaborarea tehnologiilor necesare exploatării energiei obţinute din fuziune


Fig.1: Infrastructura HOTMAT din INCDFM,laboratorul principal
pentru producerea materialelor pentru medii extreme


PRIMELE NOASTRE REZULTATE IMPORTANTE
Dintre subiectele abordate cu deosebit succes trebuie menţionate materialelele cu gradient funcţional W-otel, cu aplicaţie atât pentru componente de armură, cât şi pentru sistemul schimbător de caldură ("divertor"), compozitele pe bază de carburi de siliciu şi W, precum şi dezvoltarea unei serii de tehnici de îmbinare, cu trenuri de pulsuri electrice, la temperaturi ridicate, pentru materiale nesudabile.
Materiale cu gradient funcţional W-oţel
Materialele cu gradient funcţional (FGM) reprezintă o soluţie conceptual elegantă de a îmbina proprietăţile a două materiale, asigurând o trecere graduală între acestea. În cazul componentelor pentru reactoarele de fuziune este necesară îmbinarea proprietăţilor refractare ale W (wolfram) - singurul material care poate asigura rezistenţă la fluxurile mari de căldură şi radiaţie - cu rezistenţa mecanică a oţelurilor feritice cu Cr (crom), care reprezintă opţiunea cea mai probabilă pentru a asigura structura de rezistenţă a reactorului. În principiu, un astfel de material se poate realiza prin suprapunerea unor straturi subţiri cu compoziţii variabile de W şi otel. Realizarea practică prin metode metalurgice clasice este însă imposibilă, în primul rând datorită temperaturilor de topire foarte diferite ale oţelurilor (în general aproximativ 15000 C) şi W (36000 C). Mai mult, natura fragilă şi puţin ductilă a W şi a aliajelor bogate în W face imposibilă aplicarea unor procedee de prelucrare termo-mecanica uzuale. Pentru a realiza un astfel de material alternativa aplicată cu succes de grupul de cercetători din INCDFM implică tehnici avansate de metalurgia pulberilor. Amestecuri de pulberi cu dimensiuni nanometrice au fost realizate prin amestecare mecanică în atmosfera protectoare în moara planetară, iar compoziţiile graduale au fost depuse în straturi succesive şi apoi compactate prin SPS. Au putut fi obţinute probe cu până la 10 straturi diferite compoziţional şi cu grosimi variind între 0.1 şi 1 mm pe strat. Astfel se pot realiza componente cu dimensiuni şi forme variabile, adecvate specificaţiilor proiectului de reactor DEMO. Figura 2 prezintă structura cu compoziţii graduale de W şi oţel, într-un FGM realizat în INCDFM.



Fig. 2: Harta compoziţională (figura principală) şi imaginea de microscopie
electronică de baleiaj ale unui FGM oţel-W realizat în INCDFM

Materiale compozite SiC-W
Carbura de siliciu SiC este un material dur, rezistent la temperaturi înalte, care ar putea avea un potenţial deosebit în zona materialelor pentru reactoare de fuziune. O serie de inconveniente îl fac însă deocamdată inaplicabil: este casant, are o porozitate şi permeabilitate mare la gaze, conţine Si, care se activează nuclear uşor, si are o conductibilitate termică scăzută la temperaturi mari, ceea ce împiedică transportul termic prin material. Soluţia pentru a depăşi aceste deficienţe constă în realizarea de materiale compozite. În acest sens, în INCDFM, în cadrul Euratom, au fost abordate mai multe direcţii: protejarea materialului bulk SiC cu un strat de W suficient pentru a reduce fluxul de radiaţie care ajunge la atomii de Si din interior, realizarea unui compozit masiv cu o conductibilitate termică crescută prin dopaj cu W şi V (vanadiu) - buni conductori termici, reducerea porozităţii şi respectiv permeabilităţii prin utilizarea tehnicilor avansate de preparare disponibile, precum şi creşterea rezistenţei mecanice prin utilizarea a diferite fibre (C, SiC, cu sau fără interfaţă). Rezultate remarcabile au fost obţinute atât din punctul de vedere al realizării de componente, cât şi al întelegerii mecanismelor microscopice care conduc la creşterea conductibilităţii termice în compozite SiC-W. A fost dezvoltată astfel o tehnologie eficientă şi rapidă pentru a asigura alipirea unui strat de W la materialul masiv, utilizând sinterizarea asistată de câmp electric, în timp ce sinterizarea asistată de presiune îmbunătăţeşte considerabil densitatea materialului. De asemenea, utilizarea microundelor în cazul SiC (bun absorbant) permite realizarea unor temperaturi de lucru foarte ridicate şi o compactizare suplimentară a probelor. În figura 3 este redată dependenţa de temperatură şi morfologie a probelor pentru conductibilitatea termică a compozitelor SiC-W. Se poate observa o creştere de până la 8 ori a valorii conductibilităţii termice la 10000 C a materialelor cu dispersii nanometrice de W. Măsurătorile au fost realizate utilizând un echipament de tip "Laser Flash Analyzer" de ultimă generaţie, disponibil în cadrul infrastructurii HOTMAT.

Fig. 3: Dependenţa de temperatură şi morfologie a probelor pentru
conductibilitatea termică a compozitelor SiC-W

Îmbinarea materialelor nesudabile prin trenuri de pulsuri electrice
În multe cazuri, din cauza formei sau/şi proprietăţilor materialelor utilizate, îmbinarea prin sudură a două componente nu este posibilă. Astfel de situaţii se regăsesc cu precădere în cazul proiectului pentru un reactor de fuziune, unde unul din materiale este W. Prelucrarea mecanică dificilă ca şi considerentele de etanşeitate la temperaturi înalte fac imposibile îmbinările mecanice clasice cu filet sau nituri. Alternativ se pot utiliza diferite metode de brazare (lipire prin difuzia la temperatură înaltă a unui material intercalat între cele două componente) sau lipire directă prin difuzie între cele două componente. INCDFM s-a implicat în acest subiect important al proiectului prin studiul metodelor menţionate, utilizând în principal tehnica SPS. Cercetările privesc atât optimizarea materialului de brazare (compoziţie, morfologie), cât şi posibilităţile tehnologice legate de forma şi modul de îmbinare a componentelor. Rezultate promiţătoare au fost obţinute atât în cazul lipirii directe prin difuzie asistată de trenuri de pulsuri electrice, cât şi în cazul brazării, utilizând pulberi nanometrice în procese de încălzire rapidă asistată de presiune. Pe lângă aceste direcţii principale, tot în cadrul proiectului "Euratom fuziune", începând cu acest an se lucrează la prepararea de oţeluri întărite cu dispersii oxidice.

În final, trebuie precizat că infrastructura specializată HOTMAT este utilizată cu succes şi în cadrul proiectelor privind alte materiale funcţionale, cum sunt cele pentru generaţia a patra de reactori nucleari de fisiune, materiale termoelectrice sau supraconductoare avansate. Detalii tehnice suplimentare se regăsesc în pagina institutului: www.infim.ro.



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite