Nuevo material para proteger las paredes de los reactores de fusión
El uso de la tecnologÃa de recubrimiento por pulverización ha servido para producir un nuevo material resistente que puede soportar las duras condiciones dentro de un reactor de fusión.
El avance, detallado por ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison en la revista Physica Scripta, podrÃa 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 ingenierÃa nuclear e ingenierÃa fÃsica en la Universidad de Washington-Madison y autora principal del artÃculo.
"Nuestra tecnologÃa muestra mejoras considerables con respecto a los enfoques actuales. Con esta investigación, somos los primeros en demostrar los beneficios del uso de la tecnologÃa de recubrimiento por pulverización en frÃo para aplicaciones de fusión".
Los investigadores utilizaron un proceso de pulverización en frÃo para depositar una capa de tantalio, un metal que puede soportar altas temperaturas, sobre acero inoxidable. Probaron su recubrimiento de tantalio por pulverización en frÃo en las condiciones extremas propias de un reactor de fusión. Descubrieron que el material es excepcionalmente bueno para atrapar partÃculas de hidrógeno, lo que resulta beneficioso para dispositivos de fusión compactos.
"Descubrimos que el recubrimiento de tantalio pulverizado en frÃo absorbe mucho más hidrógeno que el tantalio a granel debido a la microestructura única del recubrimiento", dice Kumar Sridharan, profesor de ingenierÃa nuclear, ingenierÃa fÃsica y ciencia e ingenierÃa de materiales. Durante la última década, el grupo de investigación de Sridharan ha introducido la tecnologÃa de pulverización en frÃo a la comunidad de energÃa nuclear implementándola para múltiples aplicaciones relacionadas con reactores de fisión.
"La simplicidad del proceso de pulverización en frÃo 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 energÃa. Sin embargo, algunos iones de hidrógeno pueden neutralizarse y escapar del plasma.
"Estas partÃculas neutras de hidrógeno provocan pérdidas de energÃa en el plasma, lo que hace que sea muy difÃcil 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 ingenierÃa nuclear y IngenierÃa FÃsica.
Es por eso que los investigadores se propusieron crear una nueva superficie para las paredes del reactor orientadas al plasma que podrÃa atrapar partÃculas de hidrógeno cuando chocan con las paredes.
El tantalio es intrÃnsecamente bueno para absorber hidrógeno, y los investigadores sospecharon que la creación de un recubrimiento de tantalio mediante un proceso de pulverización en frÃo aumentarÃa aún más su capacidad para atrapar hidrógeno.
Crear una capa rociada en frÃo es algo asà como usar una lata de pintura en aerosol. Consiste en impulsar partÃculas del material de recubrimiento a velocidades supersónicas sobre una superficie. Tras el impacto, las partÃculas se aplanan como panqueques y cubren toda la superficie, preservando al mismo tiempo los lÃmites a nanoescala entre las partÃculas de recubrimiento. Los investigadores descubrieron que esos pequeños lÃmites facilitan la captura de partÃculas 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 partÃculas 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 frÃo 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".
