Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y el Instituto Politécnico y la Universidad Estatal de Virginia están utilizando sus esfuerzos de investigación de materiales para lograr el objetivo de producir energía a través de la fusión nuclear .
En un artículo publicado en la revista Scientific Reports , los investigadores defienden la mejora de las aleaciones pesadas de tungsteno para su uso en reactores de fusión nuclear avanzados imitando la estructura de las conchas marinas.
Jacob Haag, primer autor del artículo, explicó que el sol, con una temperatura central de alrededor de 27 millones de grados Fahrenheit, funciona con fusión nuclear. Por lo tanto, no debería sorprender que las reacciones de fusión produzcan mucho calor. Esto significa que antes de que los científicos puedan aprovechar la energía de fusión como fuente de energía, deben crear reactores de fusión nuclear avanzados que puedan soportar las altas temperaturas y las condiciones de irradiación que acompañan a las reacciones de fusión.
El tungsteno es uno de los elementos con puntos de fusión más altos, lo que lo convierte en un material particularmente atractivo para su uso en reactores de fusión. Sin embargo, el tungsteno también puede ser muy frágil. Al mezclarlo con pequeñas cantidades de otros metales, como el níquel y el hierro, se crea una aleación que es más resistente que el tungsteno solo y conserva su alta temperatura de fusión.
Según Haag, no es solo su composición lo que le da 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.
Como conchas marinas
Una técnica particular de laminación en caliente produjo microestructuras en aleaciones pesadas de tungsteno que imitan la estructura del nácar, también conocido como nácar, en conchas marinas. Se sabe que el nácar exhibe una fuerza extraordinaria. Los equipos de investigación de PNNL y Virginia Tech investigaron estas aleaciones pesadas de tungsteno que imitan el nácar para posibles aplicaciones de fusión nuclear.
Para observar más de cerca la microestructura de las aleaciones, Haag y su grupo utilizaron microscopía electrónica de transmisión de 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 de energía dispersiva y tomografía con sonda atómica.
Dentro de la estructura similar al nácar, la aleación pesada de tungsteno consta de dos fases distintas: una fase “dura” de tungsteno casi puro y una fase “dúctil” que contiene una mezcla de níquel, hierro y tungsteno. Los hallazgos de la investigación sugieren que la alta resistencia de las aleaciones pesadas de tungsteno proviene de una excelente unión entre las diferentes fases, incluidas las fases ‘duras’ y ‘dúctiles’ íntimamente unidas.
“Si bien las dos fases distintas crean un compuesto resistente, plantean desafíos importantes en la preparación de especímenes de alta calidad para la caracterización”, dijo Wahyu Setyawan, científico computacional de PNNL y coautor del artículo, en un comunicado de prensa. “Los miembros de nuestro equipo hicieron un excelente trabajo al hacerlo, lo que nos permite revelar la estructura detallada de los límites de la interfase, así como la gradación química a través de estos límites”.
El estudio demuestra cómo la estructura cristalina, la geometría y la química contribuyen a las fuertes interfaces de materiales en aleaciones pesadas de tungsteno. 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 la seguridad y la longevidad”, dijo Haag.