Izdržljiviji metali za fuzijske reaktore

Na temelju teorijskih i eksperimentalnih studija, inženjeri MIT-a pokazali su da dodavanje nanočestica određene keramike na metalne stijenke posude koja sadrži reaktivnu plazmu unutar reaktora nuklearne fuzije može zaštititi metal od oštećenja, značajno produžujući njegov životni vijek. 

Desetljećima se energija nuklearne fuzije smatrala ultimativnim izvorom energije. Fuzijska elektrana mogla bi generirati energiju bez ugljika u razmjerima potrebnim za rješavanje klimatskih promjena. A mogao bi se potaknuti deuterijem dobivenim iz u biti beskonačnog izvora, morske vode. 

Desetljeća rada i milijarde dolara u financiranju istraživanja donijeli su mnoge napretke, ali izazovi ostaju. Za Ju Lija, TEPCO-vog profesora nuklearne znanosti i inženjerstva i profesora znanosti o materijalima i inženjerstva na MIT-u, još uvijek postoje dva velika izazova. 

Prvi je izgraditi fuzijsku elektranu koja proizvodi više energije nego što se u nju uloži, a istraživači diljem svijeta, uključujući i hrvatske znanstvenike napreduju prema ostvarenju tog cilja. 

Drugi izazov koji Li navodi zvuči jednostavno: "Kako ćemo odvesti toplinu?" Ali razumijevanje problema i pronalaženje rješenja daleko su od očitih. 

Istraživanja u okviru MIT Energy Initiative (MITEI) uključuju razvoj i testiranje naprednih materijala koji mogu pomoći u rješavanju tih izazova, kao i mnogih drugih izazova energetske tranzicije. 

Ključ fuzijskog reaktora je pregrijana plazma, ionizirani plin koji reagira unutar vakuumske posude. Kako se laki atomi u plazmi spajaju i stvaraju teže, oslobađaju brze neutrone s visokom kinetičkom energijom koji pucaju kroz okolnu vakuumsku posudu u rashladno sredstvo. 

Tijekom tog procesa ti brzi neutroni postupno gube svoju energiju uzrokujući štetu zračenjem i stvarajući toplinu. Toplina koja se prenosi na rashladno sredstvo na kraju se koristi za podizanje pare koja pokreće turbinu za proizvodnju električne energije. 

Problem je pronaći materijal za vakuumsku posudu koji ostaje dovoljno čvrst da drži reakcijsku plazmu i rashladnu tekućinu odvojeno, dok omogućuje brzim neutronima da prođu do rashladne tekućine. 

Za Lija, problem i moguće rješenje su isti u fuzionom reaktoru. Dodajte malu količinu materijala koji ima energiju ugrađivanja helija čak nižu od one na granici zrna. 

Tijekom protekle dvije godine, Li i njegov tim su pokazali, teoretski i eksperimentalno da njihova taktika diverzije funkcionira. Dodavanjem nanomjernih čestica pažljivo odabranog drugog materijala na metalnu stijenku, otkrili su da mogu spriječiti nakupljanje atoma helija koji nastaju u strukturno ranjivim granicama zrna u metalu. 

Kako bi testirali svoju ideju, So Yeon Kim iz Odjela za znanost o materijalima i inženjerstvo i Haowei Xu iz Odjela za nuklearnu znanost i inženjerstvo uzeli su uzorak sastavljen od dva materijala, ili "faze", jedna s nižim energija ugradnje helija od druge. 

Oni i njihovi suradnici zatim su implantirali ione helija u uzorak na temperaturi sličnoj onoj u fuzionom reaktoru i promatrali kako se stvaraju mjehurići helija. Slike transmisijskog elektronskog mikroskopa potvrdile su da su se mjehurići helija pretežno pojavili u fazi s nižom energijom ugrađivanja helija. 

Nakon što su potvrdili svoj pristup, istraživači su bili spremni za  potragu za spojevima koji apsorbiraju helij i koji bi dobro funkcionirali sa željezom, koje je često glavni metal u stjenkama vakuumskih posuda. "Ali izračunavanje energije ugrađivanja helija za sve vrste različitih materijala bilo bi računalno zahtjevno i skupo", kaže Kim. "Željeli smo pronaći metriku koju je lako izračunati i koja je pouzdan pokazatelj energije ugrađivanja helija." 

Pronašli su takvu metriku: "slobodni volumen na atomskoj razini", što je u osnovi maksimalna veličina unutarnjeg slobodnog prostora koji je dostupan atomima helija za potencijalno taloženje. "Ovo je samo radijus najveće kugle koja može stati u određenu kristalnu strukturu", objašnjava Kim. “To je jednostavna računica.” Ispitivanje niza mogućih keramičkih materijala koji apsorbiraju helij potvrdilo je da slobodni atomski volumen dobro korelira s energijom ugrađivanja helija. Štoviše, mnoge keramike koje su istraživali imaju veći slobodni volumen. 

Međutim, kako bi se identificirale opcije za primjenu nuklearne fuzije, pregled je trebao uključiti neke druge čimbenike. Na primjer, uz atomski slobodni volumen, dobra druga faza mora biti mehanički robusna (sposobna podnijeti opterećenje); ne smije postati jako radioaktivan pri izlaganju neutronima; i mora biti kompatibilan s okolnim metalom, tako da se dobro raspršuje, ali se ne otapa u metalu. 

Koristeći svoje analitičke alate, Kim i Xu ispitali su oko 50.000 spojeva i identificirali 750 potencijalnih kandidata. Među njima, dobra opcija za uključivanje u zid vakuumske posude napravljene uglavnom od željeza bio je željezni silikat.

Kako bi napravili kompozitni materijal za demonstraciju dokaza koncepta, Kim i suradnici raspršili su nanomjerne čestice željeznog silikata u željezo i implantirali helij u taj kompozitni materijal. Omjer između implantiranog helija i dispergiranog željeznog silikata pažljivo je kontroliran kako bi se omogućila izravna usporedba između eksperimentalnih i izračunatih XRD uzoraka. Izmjereni XRD intenzitet promijenio se s implantacijom helija točno onako kako su proračuni predviđali. "Taj sporazum potvrđuje da se atomski helij skladišti unutar masovne rešetke željeznog silikata", kaže Kim. 

Kim je izravno prebrojao broj mjehurića helija u kompozitu. U uzorcima željeza bez dodanog željeznog silikata, granice zrna bile su okružene mnogim mjehurićima helija. Nasuprot tome, u uzorcima željeza s dodanom keramičkom fazom željeznog silikata, mjehurići helija bili su rašireni po materijalu, s mnogo manje pojavljivanja duž granica zrna. Stoga je željezni silikat osigurao mjesta s niskom energijom ugrađivanja helija koja je odvukla atome helija dalje od granica zrna, štiteći te ranjive otvore i sprječavajući otvaranje pukotina i uzrokujući katastrofalno kvarenje vakuumske posude. 

Istraživači zaključuju da će dodavanje samo 1 posto (po volumenu) željeznog silikata željeznim stjenkama vakuumske posude prepoloviti broj mjehurića helija i također smanjiti njihov promjer za 20 posto. 

Do sada su Li i njegov tim prešli s računalnih studija problema i mogućeg rješenja na eksperimentalne demonstracije koje potvrđuju njihov pristup i na dobrom su putu prema komercijalnoj proizvodnji komponenti. 

"Napravili smo prahove koji su kompatibilni s postojećim komercijalnim 3D printerima i unaprijed su napunjeni keramikom koja upija helij", kaže Li. Nanočestice koje apsorbiraju helij dobro su raspršene i trebale bi osigurati dovoljan unos helija za zaštitu ranjivih granica zrna u strukturnim metalima stijenki posude. 

Dok Li potvrđuje da postoji još znanstvenog i inženjerskog posla koji treba obaviti, on je, zajedno s dr. sc. Alexanderom O'Brienom s Odjela za nuklearnu znanost i inženjerstvo i Kang Pyo Soom, bivšim postdoktoratom na istom odjelu, već razvio startup tvrtku koja je spremna za 3D ispis strukturalnih materijala koji mogu odgovoriti na sve izazove s kojima se suočava vakuumska posuda unutar fuzijskog reaktora.

Znanstveni rad objavljen o časopisu Science Direct možete pronaći na ovoj poveznici.