Nuevos materiales para reactores de fusión termonuclear

Científicos de las Universidades Carlos III de Madrid (UC3M), Oxford (Reino Unido) y Michigan (EEUU) han aunado sus esfuerzos para desarrollar nuevos materiales para reactores de fusión termonuclear. Su investigación, que publica la revista Materials Science and Technology, se centra en la

caracterización de aceros de activación reducida endurecidos por dispersión de óxidos para la estructura del reactor.

La fusión termonuclear promete ser una posible solución a la crisis energética actual. Se produce cuando dos núcleos atómicos de elementos ligeros se unen para dar lugar a elementos más pesados, con lo que desprenden una gran cantidad de energía. Para que se pueda producir esta reacción, es necesario un gran aporte de energía, de manera que se alcancen temperaturas del orden de decenas de millones de grados que permiten que los núcleos se acerquen lo suficiente como para vencer su repulsión natural y se condensen en estado de plasma.

Read more

"Este plasma, que alcanza temperaturas similares a las de las estrellas, a unos 100  millones de grados, no toca las paredes del reactor porque se derretirían", explica una de las investigadoras que trabaja en este proyecto, Vanessa de Castro, del departamento de Física de la UC3M. Para conseguir confinar el plasma, levita dentro del reactor ayudado por campos magnéticos. "Aún así, las paredes deben resistir unas temperaturas muy altas y los efectos de la irradiación de los neutrones que proceden de la reacción, por lo que tenemos que producir nuevos materiales que soporten estas condiciones extremas", comenta la profesora.

El proyecto ITER (en construcción) y su sucesor DEMO (previsto para el año 2035) se proponen desarrollar reactores de fusión que sean económicamente viables. Esta tarea depende, entre otros aspectos, del desarrollo de estos nuevos materiales estructurales capaces de soportar el daño por irradiación y las altas temperaturas resultantes de la reacción de fusión. La comunidad científica ha comenzado a desarrollar nuevos materiales de baja activación para su uso en estos reactores, pero todavía se desconoce si alguno de ellos será viable bajo esas condiciones tan hostiles. Uno de los candidatos más importantes, en este sentido, son los aceros ferríticos de baja activación endurecidos por dispersión de óxidos, denominados aceros ODS.

JESÚS ALVAREZ RUIZ INSTITUTO DE FUSIÓN NUCLEAR UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID, ESPAÑA

Las paredes y componentes internos de un reactor de fusión inercial se verán sometidos a explosiones de alta energía (más de 100 MJ) varias veces por segundo. Alrededor de un 30% de esa energía se verá depositada en cuestión de microsegundos sobre las paredes, no sólo incrementando la temperatura por encima del punto de fusión del material en cuestión sino también modificando las propiedades internas del material al quedarse implantadas dentro de él las especies que participan en la fusión.

Con el objetivo de proteger las paredes internas de esta radiación hay propuestas tres opciones:
- Uso de una capa protectora a modo de escudo construida de los materiales más resistentes a la temperatura y a la radiación.
- Llenado de la cámara de reacción con un gas noble de alta masa que absorba y frene la radiación.
- Uso de paredes líquidas en constante flujo que absorban y arrastren la radiación.

Durante la charla se tratarán todos estos temas, ahondando en las investigaciones que se llevan en el Instituto de Fusión Nuclear en el área de nuevos materiales nanoestructurados y geometrías 3D como base de capas protectoras/escudo más resistentes a la radiación.

También se hará hincapié en uno de los problemas más importantes con los que se encuentra el avance de la fusión inercial, esto es, la falta de instalaciones que simulen los extremos entornos de radiación de un reactor para validar materiales o investigar las otras propuestas de protección de paredes.
Lunes 20 de Junio de 2011.
Seminarios Internacionales de Fronteras de la Ciencia de Materiales.
Departamento de Ciencia de Materiales
Universidad Politécnica de Madrid
E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos.
Coordinador: Jose Ygnacio Pastor - jypastor@mater.upm.es, +34 91 336 6680.
Vídeo producido por el Gabinete de Tele-Educación de la Universidad Politécnica de Madrid, grabado por el departamento ciencia de los materiales

El comportamiento mecánico de los aceros ODS depende enormemente de su microestructura, que hasta ahora no se ha controlado rigurosamente. Hasta hace poco, los estudios sobre la microestructura de estos aceros se han centrado en la escala micrométrica.  Sin embargo, la escala nanométrica es la más relevante para comprender los fenómenos que ocurren bajo irradiación.

"Ahora estamos utilizando nuestros conocimientos en materiales estructurales nucleares y en técnicas avanzadas de nanoanálisis para caracterizar diversos aceros ODS de nueva generación a escala nanométrica", comentan los investigadores, quienes han añadido a estos aceros partículas nanométricas (de entre 1 y 50 nm) que ayudan a mejorar las propiedades mecánicas y a aumentar su resistencia. Los resultados de investigación han sido publicados en un número especial de la revista Materials Science and Technology dedicado a la caracterización de aceros a escala atómica.

La caracterización de estos materiales se realiza usando técnicas a escala nanométrica. Por ejemplo, con un microscopio electrónico de transmisión se pueden ver las partículas que se añaden al material, incluso las más pequeñas, de un nanómetro (la millonésima parte de un milímetro). Gracias a esto, se puede estudiar si la distribución de las partículas es la óptima, cuál es su composición química, o si cambiándola se obtienen mejores materiales o se mejora la interacción de estas partículas con los defectos que se producen en el material.

"De ahí extraemos la información que nos permite explicar por qué el material se comporta de una u otra forma, porque el hecho de que tenga malas propiedades mecánicas se podría relacionar con que las partículas no estén bien distribuidas", señala la profesora Vanessa de Castro, del ESTRUMAT. Este consorcio de Materiales Estructurales Avanzados, formado por cinco grupos de investigación pertenecientes a cuatro universidades y un instituto de investigación de la Comunidad de Madrid, tiene como objetivo proporcionar un marco de actividad científico-técnica en el área de materiales estructurales avanzados para aplicaciones en ingeniería.

Esta investigación, financiada por el Ministerio de Ciencia e Innovación, se centra en el estudio de las nanopartículas de óxidos presentes en estos aceros y en el daño inducido por radiación en estos materiales. Los análisis realizados hasta el momento muestran, por ejemplo, que las partículas poseen una estructura de tipo core-shell consistente en un núcleo rico en Itrio (Y) rodeado por una zona enriquecida en Cromo (Cr).

 

http://www.agenciasinc.es

Referencia bibliográfica:

De Castro, V. Lozano-Pérez, S. Marquis, E. A Auger, M. A. Leguey, T. Pareja, R. "Analytical characterisation of oxide dispersion strengthened steels for fusion reactors". Material Science and Technology 27 (4): 719-723, abril de 2011. ISSN: 0267-0836

MATERIALES PARA LOS FUTUROS REACTORES DE FUSIÓN: AVANCES TECNOLÓGICOS

MATERIALES PARA LOS FUTUROS REACTORES DE FUSIÓN: AVANCES TECNOLÓGICOS PILAR FERNÁNDEZ UNIDAD DE MATERIALES DE FUSIÓN. CIEMAT, ESPAÑA

La fusión nuclear por confinamiento magnético se presenta en el siglo XXI como una solución viable a largo plazo para la obtención de energía masiva, segura e inagotable. Actualmente se encuentra en la fase de demostración tecnológica, aceptada ya su viabilidad científica. Uno de los principales retos tecnológicos a resolver es la selección y/o desarrollo de materiales altamente resistentes a las severas condiciones de operación previstas: neutrones de hasta 14 MeV de energía, productos de transmutación (principalmente H y He) y elevadas temperaturas. El conjunto de materiales necesarios se puede clasificar en tres grandes bloques: materiales que ven directamente el plasma (primera pared y divertor), materiales funcionales (sistemas de calentamiento y diagnósticos del plasma) y finalmente los materiales estructurales, de especial relevancia, ya que son los que limitarán la ventana operacional del reactor.

La evolución microestructural de los materiales en un ambiente de fusión puede engendrar degradación de las propiedades físicas, tales como, la conductividad térmica y eléctrica al igual que la degradación de las propiedades mecánicas debido a una fragilización causada por endurecimiento del material durante su irradiación. Además, la formación de átomos de gas puede originar "swelling" macroscópico, causando una pérdida de estabilidad dimensional. Son estos factores, los principalmente limitantes a la hora de seleccionar los materiales candidatos para su aplicación en fusión. Por otro lado, además de una buena resistencia al daño por irradiación, los materiales de fusión deben presentar buena compatibilidad con el refrigerante y con otros materiales, gran capacidad de soportar altas tensiones térmicas, fácil fabricación a un coste razonable y cumplir con los criterios de baja activación o activación reducida. Por estos motivos, es necesario conocer a priori el comportamiento de los materiales candidatos para que el diseño del futuro reactor de fusión sea fiable.

En este seminario se presentarán los principales avances tecnológicos en el grupo de materiales de fusión del Ciemat en los últimos años y las líneas actuales de investigación en Fusión.
eminarios Internacionales de Fronteras de la Ciencia de Materiales Aula de Seminarios Departamento de Ciencia de Materiales E. T. S. de Ingenieros de Caminos, UPM C/ Profesor Aranguren s.n. 28040 Madrid Para más información contactar con: Dr. José Ygnacio Pastor (+34) 913 366 684. jypastor@mater.upm.es Vídeo Realizado por el Gabinete de Tele-Educación de la Universidad Politécnica de Madrid, grabado por el departamento ciencia de los materiales.

Las instalaciones del Centro Nacional de Tecnologías para la Fusión (TechnoFusión) para el desarrollo de materiales y tecnologías de Fusión: II. Área de ensayos mecánicos y técnicas de caracterización física, composicional y microestructural de materiales María González Viada Laboratorio Nacional de Fusión—CIEMAT
La ICTS TechnoFusión será proximamente una gran instalación para el desarrollo, fundamentalmente, de materiales y tecnologías con aplicaciones en la Fusión termonuclear. Localizada en varios emplazamientos dentro de la Comunidad de Madrid, será una instalación con la infraestructura apropiada y el personal especializado para dar soporte técnico y científico a usuarios externos de tecnologías en este campo. Contará con siete áreas de conocimiento o desarrollo tecnológico que abarcan desde la modificación de materiales o dispositivos mediante la irradiación con haces de iones acelerados, hasta la simulación computacional de procesos, sistemas e instalaciones, pasando por la interacción de materiales y dispositivos con plasmas, con flujos de metal líquido, con radiación gamma o electrones. El Centro contará también con la más actual tecnología y equipamiento para la producción y procesado de nuevas aleaciones y su caracterización. En Fusión, buena parte de la actual problemática radica en la elección y diseño de los materiales apropiados para ajustarse a los requerimientos de las diferentes tecnologías. Durante operación y sobre los materiales de primera pared del futuro reactor de demostración DEMO se espera un máximo de dosis de unos 50 a 150 dpa (dependiendo del diseño), trabajando a temperaturas entre 550 y 1000 ºC, debido a su interacción con neutrones de alta energía. Junto a esto, las estructuras deberán acomodar un alto contenido de H y He, productos de la transmutación de los elementos de la matriz. Por todo ello, cabe concluir que el daño por radiación implicará la degradación tanto de los materiales estructurales, para los que nos preocupan particularmente las alteraciones resultantes en sus propiedades mecánicas, como de los materiales funcionales y los cambios en sus propiedades físicas. La óptima comprensión de los mecanismos de formación de defectos en materiales bajo radiación permitirá predecir el comportamiento de dispositivos y componentes y formular nuevas aleaciones más resistentes. Es precisamente éste el objetivo del Area de Técnicas de Caracterización de TechnoFusión.

A lo largo de esta conferencia se detallarán aquellas técnicas que nos ayuden a estudiar y minimizar los efectos de las condiciones del plasma en las características de los materiales. Por un lado, definiremos aquellas técnicas que permitan el ensayo o caracterización mecánica de materiales y dispositivos durante la irradiación. Y por otra parte, repasaremos aquellas técnicas que permitan la observación microestructural, el seguimiento de la estructura y de los cambios químicos, y las variaciones en el comportamiento mecánico del material irradiado. En cualquiera de estos casos, se requerirá de técnicas muy sensibles y precisas, ya que el volumen de muestra afectado en condiciones comparables a las de operación (irradiación con haces de iones en la instalación TechnoFusión) es muy pequeño.
SEMINARIOS DE FRONTERAS DE LA CIENCIA DE MATERIALES
DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE MATERIALES.
ETSI Caminos, Canales y Puertos.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

http://www.mater.upm.es/Seminarios.asp

Video Realizado por el Gabinete de Tele-Educación de la Universidad Politécnica de Madrid.

Fusión Nuclear

ITER

NIF

National Ignition Facility at Lawrence Livermore National Laboratory

It's the largest laser beam in the world and it's being built in the Bay Area. The National Ignition Facility at Lawrence Livermore National Laboratory will shoot tremendous bursts of energy at an area the size of a pencil eraser. The goal? To recreate fusion -- which powers the sun and some nuclear bombs -- perhaps harnessing a new source of clean energy for the 21st century

Imagine a sphere much smaller than a pea releasing enough energy to supply all of the electricity needs of the United States for a brief moment in time. How could this be possible? At the National Ignition Facility, a huge laser in Livermore, California, scientists and engineers are nearly ready to make this a reality. Edward Moses, the Project Manager at National Ignition Facility, explains how energy can be compressed to extreme power levels to potentially provide for a future of clean energy for our world. Series: Science on Saturday [5/2008] [Science] [Show ID: 14491]

Share and Enjoy: These icons link to social bookmarking sites where readers can share and discover new web pages.
  • MisterWong
  • Y!GG
  • Webnews
  • Digg
  • del.icio.us
  • StumbleUpon
  • Reddit
  • Ask
  • BarraPunto
  • De.lirio.us
  • Meneame
  • Technorati
  • Upnews
  • YahooBuzz

One Response to Nuevos materiales para reactores de fusión termonuclear

  1. Pingback: Fisica basica de fusión Fusion Plasma Physics in Magnetic Fusion ITER en el CERN