Kredit:Oak Ridge National Laboratory
Praktisk fusionsenergi är inte bara en dröm vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Experter inom fusion och materialvetenskap arbetar tillsammans för att utveckla lösningar som kommer att göra en fusionspilotanläggning – och i slutändan kolfri, riklig fusionselektricitet – möjlig.
Som chef för labbets Fusion Nuclear Science, Technology and Engineering Sektion är Chuck Kessel bekant med materialutmaningarna som måste lösas för att bygga ett kraftverk. Kessel behövde inte leta längre än Bruce Pint, chef för ORNL:s Corrosion Science and Technology Group, för en samarbetspartner.
Pint har studerat korrosionsbeständiga högtemperaturmaterial för kraftgenerering i årtionden. Hans arbete har främst fokuserat på gas-metall eller legeringskorrosion och oxidation för kol, gas och kärnkraftverk. Att undersöka frätande vätskor i samband med fusionsenergi är en annan och tuffare utmaning.
"Det är lite vetenskap och lite konst som ingår i det hela", sa Pint.
En kritisk utmaning för fusion är hur man producerar och återvinner tritium, en tung väteisotop som tillsammans med sin lättare kusin deuterium kommer att fungera som bränsle för morgondagens fusionsreaktorer.
I en fusionsreaktion värms dessa isotoper upp till solliknande temperaturer i ett plasma där de kolliderar för att bilda helium och en neutron, vilket frigör energi i form av kinetisk energi. Genom att rikta de snabba neutronerna mot den vanligare metallen litium, kan forskare producera tritium i själva reaktorn.
En lovande strategi för att producera tritium i en fusionsreaktor innebär att flytande blylitium kanaliseras genom reaktorns "filt" - de inre väggarna som är gjorda av specialiserat stål med flödeskanalinsatser av kiselkarbid. Men det finns en hake:Det pågående flödet av bly-litium kommer gradvis att tära på stålet. Att minimera denna korrosion är ett avgörande steg för ett livskraftigt fusionskraftverk.
"Den här typen av filt, med en vätskeuppfödare som flödar genom den och korroderar dessa material, är i grunden begränsad av denna korrosionsmekanism," sa Kessel.
Marie Romedenne, som studerade flytande metaller för sin doktorsexamen och började på ORNL 2019, hjälper Pint och lär sig mer om ORNL:s experimentella metoder för flytande metall som har använts sedan 1950-talet.
Många faktorer bidrar till korrosionshastigheter, inklusive sammansättningen av de exponerade materialen; hur länge den är exponerad; hur snabbt vätskan strömmar; de starka magnetfälten som används för att kontrollera och begränsa plasman; temperaturen; och föroreningar i systemet. Denna korrosionsutmaning gav Pint och Romedenne chansen att kartlägga flera experiment som utformats för att reda ut dessa faktorer samtidigt som de kan komma närmare förhållandena i en verklig fusionsreaktor.
Teamet byggde en serie flödesslingor som testade material under olika förhållanden, inklusive temperaturer upp till 700 grader Celsius. Inuti slingan satte forskarna in prover av ett stål som liknar det som skulle användas för komponenter i en fusionsenhet, plus prover av kiselkarbid. Enligt nuvarande fusionskonstruktioner minskar kiselkarbiden tryckfallet i bly-litiumflödet genom att elektriskt isolera vätskan från stålväggarna. Detta tillvägagångssätt stödjer de tre materialen som samexisterar och interagerar, med bly-litium som förmedlar mellan stålet och kiselkarbiden.
Efter varje 1 000-timmars experiment testades proverna för att se om de hade blivit spröda och hur mycket massa som hade förlorats till upplösning i det flytande blylitiumet eller alternativt tillsatts av nybildade föreningar.
I det första experimentet fann Pint och Romedenne att järn och krom från stålet löstes i vätskan, som sedan reagerade med kiselkarbidproverna för att bilda intermetalliska föreningar, silicider och järn- och kromkarbider. När dessa nybildade föreningar flödade genom slingan ackumulerades de på kiselkarbidproverna i den kallare änden av slingan, vilket resulterade i ett relativt tjockt lager.
"Det var faktiskt ganska spektakulärt - ett par hundra mikrometer tjockt," sa Pint. "Jag trodde att det kanske skulle reagera lite. Jag förväntade mig inte att det skulle reagera så mycket."
Pint och Romedenne upptäckte också att en sänkning av slingans höga temperatur från 700 till 650 grader Celsius resulterade i en mycket långsammare uppbyggnad av de nybildade föreningarna.
"Om du bara har kiselkarbid och du inte har en källa till järn och krom att lägga i vätskan, kommer du inte att se denna reaktion," sa Pint. "Ingen hade satt ihop alla bitar tidigare."
När järn och krom reagerade med kiselkarbiden, korroderade bly-litiumet dramatiskt stålexemplaren. "De var knappt där efter att testet var över", sa han.
I det andra experimentet belade teamet stålet med ett tunt lager av aluminium för att skydda det från den frätande vätskan, första gången detta har gjorts i ett flytande experiment. Resultaten, sa Pint, var uppmuntrande.
"Korrosion pågår fortfarande, även när vi försökte knäppa upp allt så mycket som möjligt," sa Pint. "Men vi fick ner saker och ting till en mer hanterbar nivå. Inget av våra belagda stålexemplar försämrades nämnvärt."
I kommande experiment planerar Pint och Romedenne att använda ett tunnare lager av aluminium för att minimera hur mycket av det elementet som hamnar i systemet. De planerar också att fördubbla experimentens längd till 2 000 timmar för att bättre studera tillväxten av reaktantskiktet på den kalla sidan av slingan.
För att våga sig bortom gränserna för sina experimentslingor använder Romedenne modeller och simuleringar för att förutsäga korrosionslivslängderna för fusionsmaterial vid industriella varaktigheter - 50 000 timmar eller mer. Men fortsatta experiment och nya testmiljöer behövs för att validera och förbättra dessa modeller.
Kessel lägger nu grunden för utvecklingen av en avancerad flödesslinga, som skulle ha magneter för att hjälpa till att mäta magnetfältens inverkan på korrosionshastigheten.
"Vi vill skapa en så prototypisk miljö som möjligt för att tillåta oss att identifiera, demonstrera och optimera faktiska lösningar för en fusionspilotanläggning," sa Kessel. + Utforska vidare
