A finales de 2022, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore anunciaron que habían observado por primera vez una ganancia neta de energía mediante fusión nuclear. Este hito monumental hacia la energía de fusión representa un enorme salto adelante en la alimentación de nuestros hogares y empresas con esta fuente de energía neutra en carbono. Pero convertir este logro científico en una fuente de energía práctica también requiere nuevas tecnologías para hacer realidad una sociedad impulsada por la fusión.

Científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y del Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia (Virginia Tech) están contribuyendo a hacer realidad este objetivo gracias a sus investigaciones sobre materiales. Su reciente trabajo, publicado en Scientific Reports, defiende las aleaciones pesadas de wolframio y muestra cómo pueden mejorarse para su uso en reactores avanzados de fusión nuclear imitando la estructura de las conchas marinas.

“Se trata del primer estudio en el que se observan estas interfaces de materiales a escalas de longitud tan pequeñas”, afirma Jacob Haag, primer autor del trabajo de investigación. “Con ello revelamos algunos de los mecanismos fundamentales que rigen la tenacidad y durabilidad de los materiales”.

Resistir el calor

El Sol, cuyo núcleo tiene una temperatura de unos 27 millones de grados Fahrenheit, funciona mediante fusión nuclear. Por tanto, no es de extrañar que las reacciones de fusión produzcan mucho calor. Antes de que los científicos puedan aprovechar la energía de fusión como fuente de energía, necesitan crear reactores de fusión nuclear avanzados que puedan soportar las altas temperaturas y las condiciones de irradiación propias de las reacciones de fusión.

De todos los elementos de la Tierra, el wolframio tiene uno de los puntos de fusión más altos. Esto lo convierte en un material especialmente atractivo para los reactores de fusión. Sin embargo, también puede ser muy frágil. Mezclando tungsteno con pequeñas cantidades de otros metales, como níquel y hierro, se crea una aleación que es más resistente que el tungsteno solo, al tiempo que conserva su alta temperatura de fusión.

No es sólo su composición lo que confiere a estas aleaciones pesadas de tungsteno sus propiedades: el tratamiento termomecánico del material puede alterar propiedades como la resistencia a la tracción y la tenacidad a la fractura. Una técnica particular de laminado en caliente produce microestructuras en las aleaciones pesadas de tungsteno que imitan la estructura del nácar de las conchas marinas. El nácar es conocido por su extraordinaria resistencia, además de sus bellos colores iridiscentes. Los equipos de investigación del PNNL y Virginia Tech investigaron estas aleaciones pesadas de wolframio que imitan el nácar para posibles aplicaciones de fusión nuclear.

“Queríamos entender por qué estos materiales exhiben propiedades mecánicas casi sin precedentes en el campo de los metales y las aleaciones”, dijo Haag.

Examinar las microestructuras para obtener la mayor tenacidad

Para conocer más de cerca la microestructura de las aleaciones, Haag y su equipo utilizaron técnicas avanzadas de caracterización de materiales, como la microscopía electrónica de transmisión por barrido para observar la estructura atómica. También cartografiaron la composición a nanoescala de la interfaz del material mediante una combinación de espectroscopia de rayos X por dispersión de energía y tomografía por sonda atómica.

Dentro de la estructura en forma de nácar, la aleación pesada de wolframio consta de dos fases distintas: una fase “dura” de wolframio casi puro y una fase “dúctil” que contiene una mezcla de níquel, hierro y wolframio. Los resultados de la investigación sugieren que la alta resistencia de las aleaciones pesadas de tungsteno proviene de una excelente unión entre las fases disímiles, incluidas las fases “dura” y “dúctil” íntimamente unidas.

“Aunque las dos fases distintas crean un compuesto resistente, plantean importantes retos a la hora de preparar muestras de alta calidad para su caracterización”, afirma Wahyu Setyawan, científico computacional del PNNL y coautor del artículo. “Los miembros de nuestro equipo hicieron un excelente trabajo al hacerlo, lo que nos permite revelar la estructura detallada de los límites entre fases, así como la gradación química a través de estos límites”.

El estudio demuestra cómo la estructura cristalina, la geometría y la química contribuyen a crear fuertes interfaces materiales en las aleaciones pesadas de wolframio. También revela mecanismos para mejorar el diseño y las propiedades de los materiales para aplicaciones de fusión.

“Si estas aleaciones bifásicas se van a utilizar en el interior de un reactor nuclear, es necesario optimizarlas para que sean seguras y duraderas”, dijo Haag.

Construir la próxima generación de materiales de fusión

Los hallazgos presentados en este estudio ya se están ampliando en muchas dimensiones dentro del PNNL y en la comunidad de investigación científica. En el PNNL se están llevando a cabo investigaciones de modelado de materiales a escala múltiple para optimizar la estructura, la química y probar la resistencia de las interfaces de materiales distintos, así como investigaciones experimentales para observar cómo se comportan estos materiales bajo las temperaturas extremas y las condiciones de irradiación de un reactor de fusión.

“Es un momento apasionante para la energía de fusión, con un renovado interés por parte de la Casa Blanca y el sector privado. La investigación que realizamos para hallar soluciones materiales para operaciones prolongadas es muy necesaria para acelerar la realización de los reactores de fusión”, dijo Setyawan.

Otros autores del PNNL son Jing Wang (anteriormente en el PNNL), Karen Kruska, Matthew Olszta, Charles Henager, Danny Edwards y Mitsu Murayama, que también tiene un puesto conjunto en Virginia Tech.

Fuente: worldenergytrade.com