Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

Noi perspective pentru INCDFM în dezvoltarea materialelor și componentelor pentru reactoare de fuziune nucleară în cadrul EUROfusion 2021-2025

21 Aprilie 2021



Fuziunea nucleară reprezintă pentru viitor cea mai credibilă sursa potenţială de energie. Virtual inepuizabilă, dezvoltabilă pe scară largă, cu un randament foarte bun şi cu riscuri aproape nule, fuziunea termonucleară are toate avantajele oferite de sursele de energie verde, cu condiţia ca materialele utilizate să nu producă izotopi radioactivi cu timp de înjumătăţire mari. Acest criteriu de activare limitată reduce drastic elementele care pot fi utilizate în componentele unui reactor de fuziune şi impune totodată domeniul materialelor drept domeniu cheie în cercetările legate de fuziune.

Beneficiile imense pentru omenire în cazul în care fuziunea nucleară va putea fi iniţiată şi menţinută controlat pentru a produce energie în mod sustenabil stau la originea unor eforturi susţinute de mai bine de o jumătate de deceniu pentru a putea înţelege şi controla într-o incintă cu rază de numai câţiva metri energia care stă la baza existenţei stelelor. Cu o susţinere amplă a cercetărilor din domenii cum sunt fizica plasmei, nucleară sau a materialelor, dar şi inginerie şi informatică pentru elaborarea tehnologiilor necesare exploatării energiei obţinute din fuziune s-au putut obţine rezultate impresionante. Astfel, primul reactor destinat realizării fuziunii controlate de lungă durată, ITER, este acum în construcţie la Cadarache, în Franţa. La nivel european, aceasta susţinere a fost realizată prin EURATOM, care urmăreşte implementarea unei foi de parcurs, „European Research Roadmap to the Realisation of Fusion Energy”, o strategie de a concentra eforturi ştiinţifice şi industriale în vederea realizării în final a centralelor electrice bazate pe fuziunea termonucleară.

Din punctul de vedere al materialelor, problemele principale sunt legate de componentele incluse în 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, cu cel puţin un ordin de mărime peste cele întâlnite în centralele de fisiune. În momentul de faţă, materiale capabile să îndeplinească toate cerinţele tehnice pentru aplicaţiile menţionate nu au fost încă validate, atât din lipsa unor surse de neutroni capabile să ofere fluxuri similare cu cele dintr-un reactor de fuziune (mai multe se află în faza de construcţie la nivel mondial), cât şi din lipsă de maturitate tehnologică a materialelor aflate în cercetare în prezent.

Contribuția INCDFM
Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM) s-a raliat acestui efort global şi în particular european începând cu anul 2010. Bazându-se pe infrastructura sa dedicată producerii şi testării materialelor destinate aplicaţiilor în condiţii extreme (HOTMAT), grupul de cercetători implicaţi în acest domeniu a reuşit iniţial, în perioada 2010-2013, în cadrul EFDA (European Fusion Development Agreement), să-şi dovedească capabilităţile de infrastructură şi expertiză, fiind acceptat în cadrul consorţiului EUROfusion (2014-2020) în urma selecţiei care a avut loc la sfârşitul anului 2013. Activând în cadrul WP-MAT (pachetul de lucru destinat studiului şi dezvoltării materialelor pentru fuziune) în sub-domeniul materialelor destinate operării în fluxuri mari de căldură şi radiaţii (HHFM), grupul din INCDFM a fost implicat în această perioadă în dezvoltarea de materiale compozite stratificate din folii de W (wolfram) şi alte metale (aşa-numitele laminate de W), a materialelor de interfaţă dintre armură din W şi schimbătorul de căldură din CuCrZr al divertorului (divertorul este zona din reactor expusă celor mai mari fluxuri de căldură), în diferite tehnologii de îmbinare a acestor materiale şi în caracterizarea proprietăţilor termo-fizice (conducţie termică, electrică, expansiune termică), atât pentru materialele produse în INCDFM, cât şi pentru toate materialele produse de partenerii din consorţiu în cadrul topicului HHFM.

Cercetările desfăşurate în INCDFM au evoluat în linia constrângerilor impuse de consorţiul EUROfusion, de la cercetări fundamentale asupra unor materiale spre obţinerea unor proprietăţi bine definite de aplicaţiile lor potenţiale şi în final la realizarea de componente pentru machete la scală reală. Printre cele mai importante rezultate se numără realizarea în premieră a unor materiale laminate W-W fără interfeţe adiţionale, pe baza unei tehnologii FAST (sinterizare asistată de câmp electric) dezvoltată în INCDFM. Aceste materiale au fost produse atât din folii de W pur, cât şi din folii de W dopat cu K (potasiu), un material cu o temperatură de recristalizare superioară wolframului pur. Atât epruvetele standard, cât şi componetele de tip ţeavă (vezi de exemplu figura 1 dreapta sus) au fost testate în cooperare cu Institutul Tehnologic de la Karlsruhe (KIT) şi au prezentat valori ale energiei de impact Charpy absorbite de peste 10 J (şi circa 20 J la componentele de tip ţeavă), valori record mondial pentru materialele din W.



În acelaşi timp, în cazul materialelor de interfaţă au fost realizate şi evaluate compozite pe bază de Cu şi diferiţi oxizi, carburi sau grafit. În cazul compozitelor Cu-zirconia (ZrO2), datorită formării unor nano-structuri aparte, similare celor de tip fagure, având pereţii de dimensiuni de ordinul zecilor de nanometri din Cu (vezi imaginea principală din figura 2), s-au obţinut materiale de tip barieră termică, cu conductibilităţi termice aproape constante în intervalul 0-1000°C şi cu valori de sub 1 W/m/K (vezi inserţia din dreapta a figurii 2), specifice izolatorilor termici ceramici sau polimerici. Utilizând un control compoziţional riguros şi tehnologia de producere dezvoltată în INCDFM, au fost realizate din aceste materiale interfeţe cu gradient compoziţional pentru a permite un control al curgerii fluxului termic prin componentele divertorului în scopul menţinerii materialelor de armură şi schimbătorului de căldură în domeniile optime de operare.



Noi componente și tehnologii dezvoltate
În urma acestor rezultate, în cursul anului 2020 au fost produse componente pentru divertor la scară reală. Componentele realizate au fost pe de o parte monoblocuri pentru armură produse prin tehnologia FAST dezvoltată şi testată anterior, utilizând folii din W dopat cu K (vezi figura 1 stânga sus) şi în care au fost incluse printr‑o tehnologie de îmbinare prin presare la cald (HP) interfeţe din Cu de înaltă puritate - OFHC (vezi figura 1, partea de jos). Această tehnologie nouă a fost dezvoltată în 2020 tot în INCDFM. Pe de altă parte au fost produse şi componente având monoblocuri standard din W (material de tip ITER) în care au fost incluse interfeţe de tip bariera termică (vezi figura 2 inserţia din stânga). Pentru realizarea acestora a fost necesară dezvoltarea unei noi tehnologii de brazare cu un aliaj Cu-Ti, produs in situ în timpul includerii barierelor termice prin presare la cald. Am avut recent bucuria de a afla că aceste componente produse în INCDFM au trecut cu succes seria de teste nondistructive efectuate asupra lor la ENEA-Frascatti (Italia), urmând a fi incluse în testele viitoare de fluxuri mari de căldură asupra elementelor de divertor, teste care vor fi realizate la facilităţile speciale de la Garching şi Julich (Germania).
Pe lângă efortul firesc al cercetării într-un domeniu de frontieră ştiinţifică şi tehnologică, este important să menţionăm că echipa implicată a reuşit cu succes să treacă şi numeroase bariere legate de reproductibilitatea pe scară largă, de cooperarea cu mediul industrial şi, nu în ultimul rând, de realizarea şi dezvoltarea de tehnologii scalabile la nivel industrial.

La sfârşitul anului trecut, având în vedere trecerea programului de finanţare al EUROfusion de la cadrul „Horizon 2020” la noul „Horizon Europe” (HE) a fost realizată o nouă selecţie a laboratoarelor care vor participa la program, pe baza cerinţelor „foii de parcurs” pentru fuziune. Includerea INCDFM în continuare în consorţiu ne onorează şi confirmă din nou utilitatea şi valoarea rezultatelor obţinute în activităţile de cercetare şi dezvoltare desfăşurate în acest domeniu în institut. Este important să menţionăm faptul că în noul ciclu de finanţare vom participa atât în continuare în WP-MAT - unde vom desfăşura activităţi legate de laminatele de W, de îmbinări între materiale disimilare, precum şi caracterizări de proprietăţi termofizice - cât şi în nou-înfiinţatul pachet de lucru WP-PRD (prospective research and development) destinat unor soluţii de termen lung alternative pentru fuziune, privind printre altele materiale cu proprietăţi imbunătățite faţă de cele din fluxul pricipal de lucru. Aici ne vom axa cercetările pe investigarea posibilităţilor de a descreşte temperatura de tranziţie de la casant la ductil a materialelor de volum pe bază de W şi totodată pe caracterizarea proprietăţilor termofizice ale materialelor produse de toţi partenerii din WP-PRD. n



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite