I ricercatori riferiscono di leghe metalliche che potrebbero supportare l’energia di fusione nucleare

Apr 22, 2024

24 gennaio 2023

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di Sarah Wong, Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale

Alla fine del 2022, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno annunciato di aver osservato per la prima volta un guadagno netto di energia attraverso la fusione nucleare. Questa pietra miliare verso l’energia da fusione rappresenta un enorme passo avanti nel fornire energia alle nostre case e alle nostre attività con la fonte di energia a zero emissioni di carbonio. Ma convertire questo risultato scientifico in una pratica fonte di energia richiede anche nuove tecnologie per trasformare una società alimentata dalla fusione in realtà.

Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e del Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech) stanno contribuendo a realizzare questo obiettivo attraverso i loro sforzi di ricerca sui materiali. Il loro recente lavoro, pubblicato su Scientific Reports, sostiene la causa delle leghe pesanti di tungsteno e mostra come possono essere migliorate per l’uso in reattori avanzati a fusione nucleare imitando la struttura delle conchiglie.

"Questo è il primo studio ad osservare queste interfacce materiali su scale di lunghezza così ridotte", ha affermato Jacob Haag, primo autore del documento di ricerca. "Così facendo abbiamo rivelato alcuni dei meccanismi fondamentali che governano la tenacità e la durabilità dei materiali."

Il sole, con una temperatura interna di circa 27 milioni di gradi Fahrenheit, è alimentato dalla fusione nucleare. Pertanto, non dovrebbe sorprendere che le reazioni di fusione producano molto calore. Prima che gli scienziati possano sfruttare l’energia di fusione come fonte di energia, devono creare reattori avanzati per la fusione nucleare in grado di resistere alle alte temperature e alle condizioni di irradiazione che derivano dalle reazioni di fusione.

Di tutti gli elementi sulla Terra, il tungsteno ha uno dei punti di fusione più alti. Ciò lo rende un materiale particolarmente attraente per l’uso nei reattori a fusione. Tuttavia, può anche essere molto fragile. Mescolando il tungsteno con piccole quantità di altri metalli, come nichel e ferro, si crea una lega più resistente del tungsteno da solo, pur mantenendo la sua elevata temperatura di fusione.

Non è solo la loro composizione che conferisce a queste leghe pesanti di tungsteno le loro proprietà: il trattamento termomeccanico del materiale può alterare proprietà come la resistenza alla trazione e la resistenza alla frattura. Una particolare tecnica di laminazione a caldo produce microstrutture in leghe pesanti di tungsteno che imitano la struttura della madreperla, detta anche madreperla, delle conchiglie. La madreperla è nota per esibire una forza straordinaria, oltre ai suoi bellissimi colori iridescenti. I gruppi di ricerca del PNNL e della Virginia Tech hanno studiato queste leghe pesanti di tungsteno che imitano la madreperla per potenziali applicazioni nella fusione nucleare.

"Volevamo capire perché questi materiali presentano proprietà meccaniche quasi senza precedenti nel campo dei metalli e delle leghe", ha affermato Haag.

Per osservare più da vicino la microstruttura delle leghe, Haag e il suo team hanno utilizzato tecniche avanzate di caratterizzazione dei materiali, come la microscopia elettronica a trasmissione a scansione per osservare la struttura atomica. Hanno inoltre mappato la composizione su scala nanometrica dell’interfaccia del materiale utilizzando una combinazione di spettroscopia a raggi X a dispersione di energia e tomografia con sonda atomica.

All'interno della struttura simile alla madreperla, la lega pesante di tungsteno è costituita da due fasi distinte: una fase "dura" di tungsteno quasi puro e una fase "duttile" contenente una miscela di nichel, ferro e tungsteno. I risultati della ricerca suggeriscono che l'elevata resistenza delle leghe pesanti di tungsteno deriva da un eccellente legame tra le fasi diverse, comprese le fasi "dure" e "duttili" intimamente legate.