Os engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison usaram uma tecnologia de revestimento por spray para produzir um novo material robusto que pode suportar as condições adversas dentro de um reator de fusão.



O avanço, detalhado em artigo publicado recentemente na revista Physica Scripta , poderia permitir reatores de fusão compactos mais eficientes e mais fáceis de reparar e manter.

“A comunidade de fusão está procurando urgentemente novas abordagens de fabricação para produzir economicamente grandes componentes voltados para o plasma em reatores de fusão”, diz Mykola Ialovega, pesquisadora de pós-doutorado em engenharia nuclear e física de engenharia na UW – Madison e autora principal do artigo. "Nossa tecnologia mostra melhorias consideráveis ​​em relação às abordagens atuais. Com esta pesquisa, somos os primeiros a demonstrar os benefícios do uso da tecnologia de revestimento por pulverização a frio para aplicações de fusão."

Os pesquisadores usaram um processo de pulverização a frio para depositar uma camada de tântalo, um metal que pode suportar altas temperaturas, no aço inoxidável. Eles testaram seu revestimento de tântalo em spray frio nas condições extremas relevantes para um reator de fusão e descobriram que ele teve um desempenho muito bom. É importante ressaltar que eles descobriram que o material é excepcionalmente bom na retenção de partículas de hidrogênio, o que é benéfico para dispositivos de fusão compactos.

"Descobrimos que o revestimento de tântalo em spray frio absorve muito mais hidrogênio do que o tântalo em massa devido à microestrutura única do revestimento", diz Kumar Sridharan, professor de engenharia nuclear e física de engenharia e ciência e engenharia de materiais. Na última década, o grupo de pesquisa de Sridharan introduziu a tecnologia de pulverização a frio na comunidade de energia nuclear, implementando-a em múltiplas aplicações relacionadas a reatores de fissão.

“A simplicidade do processo de pulverização a frio torna-o muito prático para aplicações”, diz Sridharan.

Em dispositivos de fusão, o plasma – um gás hidrogênio ionizado – é aquecido a temperaturas extremamente altas e os núcleos atômicos do plasma colidem e se fundem. Esse processo de fusão produz energia. No entanto, alguns íons de hidrogênio podem ser neutralizados e escapar do plasma.

"Essas partículas neutras de hidrogênio causam perdas de energia no plasma, o que torna muito desafiador sustentar um plasma quente e ter um pequeno reator de fusão eficaz", diz Ialovega, que trabalha no grupo de pesquisa de Oliver Schmitz, professor de engenharia nuclear e Fisica de engenharia.

É por isso que os pesquisadores decidiram criar uma nova superfície para as paredes do reator voltadas para o plasma, que pudesse reter partículas de hidrogênio quando colidissem com as paredes.

O tântalo é inerentemente bom na absorção de hidrogénio – e os investigadores suspeitavam que a criação de um revestimento de tântalo utilizando um processo de pulverização a frio aumentaria ainda mais a sua capacidade de retenção de hidrogénio.

Criar um revestimento pulverizado a frio é como usar uma lata de tinta spray. Consiste em impulsionar partículas do material de revestimento em velocidades supersônicas sobre uma superfície. Após o impacto, as partículas se achatam como panquecas e revestem toda a superfície, preservando os limites em nanoescala entre as partículas de revestimento. Os pesquisadores descobriram que esses pequenos limites facilitam a captura de partículas de hidrogênio.

Ialovega conduziu experimentos com o material revestido em instalações da Universidade Aix de Marselha, na França, e da Forschungszentrum Jülich GmbH, na Alemanha. Durante estas experiências, ele descobriu que quando aqueceu o material a uma temperatura mais elevada, expeliu as partículas de hidrogénio retidas sem modificar os revestimentos – um processo que essencialmente regenera o material para que possa ser utilizado novamente.

“Outro grande benefício do método de pulverização a frio é que ele nos permite reparar os componentes do reator no local, aplicando um novo revestimento”, diz Ialovega. “Atualmente, os componentes danificados do reator muitas vezes precisam ser removidos e substituídos por uma peça completamente nova, o que é caro e demorado”.

Os pesquisadores planejam usar seu novo material no Espelho Axisimétrico Wisconsin HTS (WHAM). O dispositivo experimental está em construção perto de Madison, Wisconsin, e servirá como protótipo para uma futura usina de fusão de próxima geração que a Realta Fusion, spin-off da UW-Madison, pretende desenvolver. Instalado no Laboratório de Ciências Físicas, o experimento WHAM é uma parceria entre UW – Madison, Instituto de Tecnologia de Massachusetts e Commonwealth Fusion Systems.

"A criação de um compósito metálico refratário com essas características de manuseio bem controlado do hidrogênio, combinadas com resistência à erosão e resiliência geral do material, é um avanço para o projeto de dispositivos de plasma e sistemas de energia de fusão", diz Schmitz. "A perspectiva de mudar a liga e incluir outros metais refratários para melhorar o compósito para aplicações nucleares é particularmente excitante."

Mais informações: Mykola Ialovega et al, Estudo inicial sobre estabilidade térmica de revestimento de tântalo por pulverização a frio irradiado com deutério para aplicações de fusão, Physica Scripta (2023). DOI:10.1088/1402-4896/ad0098
Fornecido pela Universidade de Wisconsin-Madison