A energia de fusão prática não é apenas um sonho no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia. Especialistas em fusão e ciência de materiais estão trabalhando juntos para desenvolver soluções que tornarão possível uma usina piloto de fusão – e, finalmente, eletricidade de fusão abundante e livre de carbono.
Como chefe da Seção de Ciência, Tecnologia e Engenharia Nuclear de Fusão do laboratório, Chuck Kessel está familiarizado com os desafios de materiais que devem ser enfrentados para construir uma usina de energia. Kessel não precisava procurar mais do que Bruce Pint, chefe do Grupo de Ciência e Tecnologia de Corrosão do ORNL, para um colaborador.

A Pint vem estudando materiais resistentes à corrosão e de alta temperatura para aplicações de geração de energia há décadas. Seu trabalho se concentrou principalmente na corrosão e oxidação de gás-metal ou liga para usinas de carvão, gás e nucleares. Examinar líquidos corrosivos no contexto da energia de fusão representa um desafio diferente e mais difícil.

"É um pouco de ciência e um pouco de arte que entra na coisa toda", disse Pint.

Um desafio crítico para a fusão é como produzir e recuperar trítio, um isótopo pesado de hidrogênio que, junto com seu primo mais leve deutério, servirá como combustível para os reatores de fusão de amanhã.

Em uma reação de fusão, esses isótopos são aquecidos a temperaturas semelhantes ao sol em um plasma onde colidem para formar hélio e um nêutron, liberando energia na forma de energia cinética. Ao direcionar esses nêutrons em alta velocidade para o metal mais comum, o lítio, os cientistas podem produzir trítio dentro do próprio reator.

Uma estratégia promissora para a produção de trítio em um reator de fusão envolve a canalização de chumbo-lítio líquido através do "cobertor" do reator - as paredes internas que são feitas de aço especializado com inserções de canal de fluxo de carboneto de silício. No entanto, há um problema:o fluxo contínuo de chumbo-lítio irá gradualmente corroer o aço. Minimizar essa corrosão é um passo crucial para uma usina de fusão viável.

“Esse tipo de manta, com um líquido reprodutor fluindo através dele e corroendo esses materiais, é fundamentalmente limitado por esse mecanismo de corrosão”, disse Kessel.

Marie Romedenne, que estudou metais líquidos em seu doutorado e ingressou no ORNL em 2019, está ajudando a Pint e aprendendo mais sobre os métodos experimentais de metais líquidos do ORNL que são usados ​​desde a década de 1950.

Muitos fatores contribuem para as taxas de corrosão, incluindo a composição dos materiais expostos; quanto tempo fica exposto; quão rápido o líquido flui; os fortes campos magnéticos usados ​​para controlar e confinar o plasma; a temperatura; e impurezas no sistema. Esse desafio de corrosão deu a Pint e Romedenne a chance de traçar vários experimentos projetados para desembaraçar esses fatores enquanto se aproximavam das condições de um reator de fusão real.

A equipe construiu uma série de loops de fluxo que testaram materiais sob várias condições, incluindo temperaturas de até 700 graus Celsius. Dentro do loop, os cientistas inseriram espécimes de um aço semelhante ao que seria usado para componentes de um dispositivo de fusão, além de espécimes de carboneto de silício. De acordo com os projetos de fusão atuais, o carboneto de silício reduz a queda de pressão no fluxo de chumbo-lítio isolando eletricamente o fluido das paredes de aço. Esta abordagem suporta os três materiais coexistindo e interagindo, com o chumbo-lítio mediando entre o aço e o carbeto de silício.

Após cada experimento de 1.000 horas, os espécimes foram testados para ver se haviam se tornado quebradiços e quanta massa havia sido perdida por dissolução no lítio líquido de chumbo ou, alternativamente, adicionado por compostos recém-formados.

No primeiro experimento, Pint e Romedenne descobriram que o ferro e o cromo do aço estavam se dissolvendo no líquido, que então reagiu com as amostras de carboneto de silício para formar compostos intermetálicos, silicetos e carbonetos de ferro e cromo. À medida que esses compostos recém-formados fluíam pelo loop, eles se acumulavam nas amostras de carboneto de silício na extremidade mais fria do loop, resultando em uma camada relativamente espessa.

"Foi realmente muito espetacular - algumas centenas de mícrons de espessura", disse Pint. "Achei que poderia reagir um pouco. Não esperava que reagisse tanto."

Pint e Romedenne também descobriram que a redução da alta temperatura do circuito de 700 para 650 graus Celsius resultou em um acúmulo muito mais lento dos compostos recém-formados.

"Se você tiver apenas carbeto de silício e não tiver uma fonte de ferro e cromo para colocar no líquido, não verá essa reação", disse Pint. "Ninguém tinha juntado todas as peças antes."

À medida que o ferro e o cromo reagiam com o carboneto de silício, o chumbo-lítio corroeu dramaticamente as amostras de aço. "Eles mal estavam lá depois que o teste acabou", disse ele.

No segundo experimento, a equipe revestiu o aço com uma fina camada de alumínio para protegê-lo do líquido corrosivo, a primeira vez que isso foi feito em um experimento de fluxo. Os resultados, disse Pint, foram animadores.

"A corrosão ainda está acontecendo, mesmo quando tentamos abotoar tudo o máximo possível", disse Pint. "Mas reduzimos as coisas para um nível mais manejável. Nenhum de nossos espécimes de aço revestido foi degradado significativamente."

Em experimentos futuros, Pint e Romedenne planejam usar uma camada mais fina de alumínio para minimizar quanto desse elemento acaba no sistema. Eles também planejam dobrar a duração dos experimentos para 2.000 horas para estudar melhor o crescimento da camada reagente no lado frio do loop.

Para se aventurar além dos limites de seus ciclos experimentais, Romedenne está usando modelos e simulações para prever a vida útil de corrosão de materiais de fusão em durações industriais – 50.000 horas ou mais. Mas experimentos contínuos e novos ambientes de teste são necessários para validar e melhorar esses modelos.

Kessel está lançando as bases agora para o desenvolvimento de um circuito de fluxo avançado, que apresentaria ímãs para ajudar a medir o impacto dos campos magnéticos nas taxas de corrosão.

"Queremos criar um ambiente o mais prototípico possível para nos permitir identificar, demonstrar e otimizar soluções reais para uma planta piloto de fusão", disse Kessel. + Explorar mais

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