University of Wisconsin–Madisons ingenjörer har använt en spraybeläggningsteknik för att producera ett nytt arbetshästmaterial som kan motstå de tuffa förhållandena inuti en fusionsreaktor.
Framsteg, detaljerat i en artikel publicerad nyligen i tidskriften Physica Scripta , skulle kunna möjliggöra effektivare kompakta fusionsreaktorer som är lättare att reparera och underhålla.
"Fusionsgemenskapen letar snabbt efter nya tillverkningsmetoder för att ekonomiskt producera stora plasmavända komponenter i fusionsreaktorer", säger Mykola Ialovega, postdoktor i kärnteknik och teknisk fysik vid UW–Madison och huvudförfattare på tidningen. "Vår teknik visar avsevärda förbättringar jämfört med nuvarande tillvägagångssätt. Med denna forskning är vi de första som visar fördelarna med att använda kallspraybeläggningsteknik för fusionstillämpningar."
Forskarna använde en kall sprayprocess för att avsätta en beläggning av tantal, en metall som tål höga temperaturer, på rostfritt stål. De testade sin kallspraytantalbeläggning under de extrema förhållanden som är relevanta för en fusionsreaktor och fann att den fungerade mycket bra. Viktigt är att de upptäckte att materialet är exceptionellt bra på att fånga vätepartiklar, vilket är fördelaktigt för kompakta fusionsenheter.
"Vi upptäckte att den kalla spraytantalbeläggningen absorberar mycket mer väte än bulktantal på grund av beläggningens unika mikrostruktur", säger Kumar Sridharan, professor i kärnteknik och teknisk fysik och materialvetenskap och teknik. Under det senaste decenniet har Sridharans forskargrupp introducerat kallsprayteknik för kärnenergigemenskapen genom att implementera den för flera tillämpningar relaterade till fissionsreaktorer.
"Enkelheten i kallsprayprocessen gör den mycket praktisk för applikationer", säger Sridharan.
I fusionsenheter värms plasma – en joniserad vätgas – till extremt höga temperaturer och atomkärnor i plasman kolliderar och smälter samman. Den fusionsprocessen producerar energi. Vissa vätejoner kan dock neutraliseras och försvinna från plasman.
"Dessa väteneutrala partiklar orsakar kraftförluster i plasman, vilket gör det mycket utmanande att upprätthålla en varm plasma och ha en effektiv liten fusionsreaktor", säger Ialovega, som arbetar i forskargruppen för Oliver Schmitz, professor i kärnteknik och teknisk fysik.
Det är därför forskarna satsade på att skapa en ny yta för plasmavända reaktorväggar som kunde fånga in vätepartiklar när de kolliderar med väggarna.
Tantal är i sig bra på att absorbera väte – och forskarna misstänkte att att skapa en tantalbeläggning med en kall sprayprocess skulle öka dess förmåga att fånga väte ännu mer.
Att skapa en kall sprutad beläggning är ungefär som att använda en burk sprayfärg. Den består av att driva partiklar av beläggningsmaterialet med överljudshastigheter på en yta. Vid stöten plattar partiklarna ut som pannkakor och täcker hela ytan, samtidigt som de bevarar nanoskaliga gränser mellan beläggningspartiklarna. Forskarna upptäckte att dessa små gränser underlättar infångning av vätepartiklar.
Ialovega genomförde experiment på det belagda materialet vid anläggningar vid Aix Marseille University i Frankrike och Forschungszentrum Jülich GmbH i Tyskland. Under dessa experiment fann han att när han värmde upp materialet till en högre temperatur, drev det ut de fångade vätepartiklarna utan att modifiera beläggningarna – en process som i huvudsak regenererar materialet så att det kan användas igen.
"En annan stor fördel med kallspraymetoden är att den tillåter oss att reparera reaktorkomponenter på plats genom att applicera en ny beläggning", säger Ialovega. "För närvarande måste skadade reaktorkomponenter ofta tas bort och ersättas med en helt ny del, vilket är kostsamt och tidskrävande."
Forskarna planerar att använda sitt nya material i Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror (WHAM). Den experimentella enheten är under uppbyggnad nära Madison, Wisconsin, och kommer att fungera som en prototyp för ett framtida nästa generations fusionskraftverk som UW–Madison spinoff Realta Fusion siktar på att utveckla. WHAM-experimentet, som ligger i Physical Sciences Laboratory, är ett partnerskap mellan UW–Madison, Massachusetts Institute of Technology och Commonwealth Fusion Systems.
"Att skapa en eldfast metallkomposit med dessa egenskaper av välkontrollerad vätehantering kombinerat med erosionsbeständighet och allmän materialresiliens är ett genombrott för designen av plasmaenheter och fusionsenergisystem", säger Schmitz. "Möjligheterna att byta legering och inkludera andra eldfasta metaller för att förbättra kompositen för kärntekniska tillämpningar är särskilt spännande."
Mer information: Mykola Ialovega et al, Inledande studie av termisk stabilitet hos kallspraytantalbeläggning bestrålad med deuterium för fusionstillämpningar, Physica Scripta (2023). DOI:10.1088/1402-4896/ad0098
Tillhandahålls av University of Wisconsin-Madison
