Elección de los materiales estructurales adecuados para los reactores de fusión
¿Dos materiales estructurales prometedores se corroen a temperaturas muy altas cuando entran en contacto con «reactores reproductores de combustible de metal líquido» en reactores de fusión? Investigadores de Tokyo Tech, YNU y QST ahora tienen la respuesta. Esta compatibilidad a alta temperatura de los materiales estructurales del reactor con el reactor reproductor líquido, un revestimiento alrededor del núcleo del reactor que absorbe y atrapa los neutrones de alta energía producidos en el plasma dentro del reactor, es clave para el éxito del diseño de un reactor de fusión.
Los reactores de fusión podrían ser una forma poderosa de generar electricidad limpia y actualmente se están explorando varios diseños potenciales. En un reactor de fusión, la fusión de dos núcleos libera cantidades masivas de energía. Esta energía queda atrapada como calor en una «manta de reproducción (BB)», generalmente una aleación de litio líquida, que rodea el núcleo del reactor. Este calor se utiliza luego para hacer funcionar una turbina y generar electricidad. El BB también tiene una función esencial de generación de combustible de fusión, creando un ciclo de combustible cerrado para una operación interminable del reactor sin agotamiento del combustible.
Operar BB a una temperatura extremadamente alta por encima de 1173 K realiza la función atractiva de producir hidrógeno a partir del agua, que es una tecnología prometedora para lograr una sociedad neutral en carbono. Esto es posible porque la BB se calienta hasta más de 1173 K al absorber energía de la reacción de fusión. A tales temperaturas, los materiales estructurales en contacto con el BB corren el riesgo de corroerse, comprometiendo la seguridad y la estabilidad de los reactores. Por lo tanto, es necesario encontrar materiales estructurales que sean químicamente compatibles con el material BB a estas temperaturas.
Un tipo de BB que se está explorando actualmente es el BB de metal líquido. Un candidato prometedor para tales BB es la aleación de plomo y litio líquido (LiPb). Como candidatos para materiales estructurales compatibles con LiPb líquido de ultra alta temperatura, se exploran algunos materiales de carburo de silicio (SiC), CVD-SiC y aleaciones de hierro-cromo-aluminio (FeCrAl) preoxidadas con aire. Pero falta información sobre esta compatibilidad más allá de 973 K.
Hoy, un equipo de científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuántica (QST) y la Universidad Nacional de Yokohama (YNU), Japón, dirigido por el profesor Masatoshi Kondo de Tokyo Tech, ha demostrado compatibilidad en temperaturas mucho más altas. Sus hallazgos se publican en Ciencia de la corrosión. “Nuestro estudio destaca los matices del mecanismo de resistencia a la corrosión de las aleaciones CVD-SiC y FeCrAl en LiPb líquido hasta 1173 K”, dice el profesor Kondo.
El equipo primero sintetizó LiPb de alta pureza fundiendo y mezclando gránulos de Li y Pb en un aparato de vacío. Luego calentaron la aleación a las temperaturas antes mencionadas, a las que se licuó. Muestras de CVD-SiC y dos variantes de la aleación FeCrAl – con y sin tratamiento de preoxidación para formar un α-Al2O3 capa superficial – se colocaron en este líquido LiPb durante 250 horas para la prueba de corrosión. El profesor Kondo observa: «Un hallazgo interesante es que, contrariamente a la literatura anterior, el pretratamiento de oxidación para formar un α-Al2O3 la capa no proporcionó resistencia a la corrosión más allá de 1023 K.
Las secciones transversales de las muestras recuperadas mostraron que el CVD-SiC reaccionó con las impurezas de la aleación de LiPb para formar una capa de óxidos complejos, que luego le dieron resistencia a la corrosión. Capa de óxido de γ-LiAlO formada por aleación de FeCrAl sin tratar2 durante la reacción con LiPb, que luego actúa como una barrera anticorrosión. En el caso de FeCrAl pretratado, el α-Al2O3 la capa superficial proporcionó resistencia a la corrosión a 873 K pero se transformó en γ-LiAlO2 a 1173 K, y era γ-LiAlO2 que luego ofreció resistencia a la corrosión.
