Ligas metálicas podem apoiar energia de fusão nuclear

PNNL

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Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore anunciaram que observaram um ganho líquido na energia de fusão nuclear pela primeira vez no final de 2022. A pesquisa é um grande marco em direção à energia de fusão que pode abastecer milhões de residências e empresas com carbono- fonte de energia neutra. No entanto, a conversão desta conquista numa fonte prática de energia nuclear requer tecnologias inovadoras para dar vida à sociedade movida a fusão.

Os cientistas do Instituto Politécnico e da Universidade Estadual da Virgínia e do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico estão trabalhando para tornar esse objetivo uma realidade por meio de seus esforços na pesquisa de materiais. Seu trabalho recente publicado na Scientific Reports incluiu o caso das ligas de tungstênio e mostrou como o metal poderia ser melhorado para uso em reatores avançados de fusão nuclear, copiando a estrutura de uma concha.

Jacob Haag, o primeiro autor da pesquisa, disse que este é o primeiro estudo sobre tais interfaces de materiais em escalas de comprimento muito pequenas. Ele acrescentou que também revelaram alguns mecanismos fundamentais que regem a resistência e durabilidade dos materiais.

O sol tem uma temperatura central de aproximadamente 27 milhões de graus Fahrenheit e é alimentado por fusão nuclear. Assim, é compreensível o fato de que as reações de fusão nuclear produzem muito calor. Antes que os cientistas possam aproveitar a energia destas reações e transformá-las em energia, eles precisam desenvolver reatores de fusão nuclear avançados capazes de suportar altas temperaturas e condições de irradiação que se desenvolvem nas reações de fusão.

O tungstênio tem o ponto de fusão mais alto entre todos os elementos disponíveis no planeta Terra. Isso o torna um dos melhores materiais para reatores de fusão nuclear. Porém, o metal também pode ser quebradiço, possibilitando a mistura com outros metais. Misturá-lo com outros metais, como ferro e níquel, pode ajudar a criar uma liga mais resistente que o tungstênio, mas mantém suas altas propriedades de fusão.

Não é apenas a composição que oferece a essas ligas de tungstênio suas propriedades, mas o tratamento termomecânico do metal que leva ao desenvolvimento de tenacidade e resistência à tração.

Usando um método específico de laminação a quente, ligas pesadas de tungstênio foram feitas com microestruturas que lembram a madrepérola, ou nácar, encontrada nas conchas. Nacre é valorizado por suas impressionantes cores iridescentes e incrível força. As ligas pesadas de tungstênio que se aproximam do nácar foram estudadas pelas equipes de pesquisa PNNL e Virginia Tech para potenciais aplicações de fusão nuclear.

Nehring/iStock

De acordo com Haag, “procuramos saber por que esses materiais têm capacidades mecânicas praticamente inéditas no domínio dos metais e ligas”.

Para examinar a microestrutura das ligas, Haag e sua equipe usaram técnicas avançadas como microscopia eletrônica de transmissão de varredura para analisar a estrutura atômica da liga. Além disso, eles também trabalharam no mapeamento da composição do material em nanoescala, combinando tomografia por sonda atômica e espectroscopia de energia dispersiva de raios X.

A liga pesada de tungstênio é composta de duas fases separadas que coexistem dentro da estrutura semelhante a nácar: uma fase "dura" que é quase tungstênio puro e uma fase "dúctil" que é composta por uma combinação de níquel, ferro e tungstênio. Os resultados do estudo apontam para uma excelente ligação entre as diferentes fases, incluindo as fases "dura" e "dúctil" intimamente acopladas, como fonte da alta resistência das ligas pesadas de tungstênio.

De acordo com Wahyu Setyawan, cientista computacional do PNNL e coautor do estudo, “os dois estágios diferentes geram um compósito resistente, mas representam grandes obstáculos na geração de amostras de alta qualidade para caracterização. estrutura dos limites da interfase e a gradação química através desses limites, graças ao excelente trabalho dos membros da nossa equipe."