Os engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison usaram uma tecnologia de revestimento por spray para produzir um novo material robusto que pode suportar as condições adversas dentro de um reator de fusão.

O avanço, detalhado em um artigo publicado recentemente na revista Physica Scripta , poderia permitir reatores de fusão compactos mais eficientes e mais fáceis de reparar e manter.

"A comunidade de fusão está procurando urgentemente novas abordagens de fabricação para produzir economicamente grandes componentes voltados para plasma em reatores de fusão", disse ele. diz Mykola Ialovega, pesquisadora de pós-doutorado em engenharia nuclear e engenharia física na UW–Madison e autora principal do artigo. “Nossa tecnologia mostra melhorias consideráveis em relação às abordagens atuais. Com esta pesquisa, somos os primeiros a demonstrar os benefícios do uso da tecnologia de revestimento por pulverização a frio para aplicações de fusão."

Os pesquisadores usaram um processo de pulverização a frio para depositar uma camada de tântalo, um metal que pode suportar altas temperaturas, em aço inoxidável. Eles testaram seu revestimento de tântalo em spray a frio nas condições extremas relevantes para um reator de fusão e descobriram que ele teve um desempenho muito bom. É importante ressaltar que eles descobriram que o material é excepcionalmente bom em reter partículas de hidrogênio, o que é benéfico para dispositivos de fusão compactos.

"Descobrimos que o revestimento de tântalo em spray frio absorve muito mais hidrogênio do que o tântalo em massa devido à microestrutura única do revestimento", disse ele. diz Kumar Sridharan, professor de engenharia nuclear e engenharia física e ciência de materiais e engenharia. Na última década, o grupo de pesquisa de Sridharan introduziu a tecnologia de pulverização a frio na comunidade de energia nuclear, implementando-a em múltiplas aplicações relacionadas a reatores de fissão.

“A simplicidade do processo de pulverização a frio torna-o muito prático para aplicações”, disse ele. Sridharan diz.

Em dispositivos de fusão, o plasma – um gás hidrogênio ionizado – é aquecido a temperaturas extremamente altas e os núcleos atômicos no plasma colidem e se fundem. Esse processo de fusão produz energia. No entanto, alguns íons de hidrogênio podem ser neutralizados e escapar do plasma.

“Essas partículas neutras de hidrogênio causam perdas de energia no plasma, o que torna muito desafiador sustentar um plasma quente e ter um pequeno reator de fusão eficaz”, disse ele. diz Ialovega, que trabalha no grupo de pesquisa de Oliver Schmitz, professor de engenharia nuclear e engenharia física.

É por isso que os pesquisadores decidiram criar uma nova superfície para as paredes do reator voltadas para o plasma, que pudesse reter partículas de hidrogênio à medida que colidissem com as paredes.

O tântalo é inerentemente bom na absorção de hidrogénio – e os investigadores suspeitavam que a criação de um revestimento de tântalo utilizando um processo de pulverização a frio aumentaria ainda mais a sua capacidade de retenção de hidrogénio.

Criar um revestimento pulverizado a frio é como usar uma lata de tinta spray. Consiste em impulsionar partículas do material de revestimento em velocidades supersônicas sobre uma superfície. Após o impacto, as partículas se achatam como panquecas e revestem toda a superfície, preservando os limites em nanoescala entre as partículas de revestimento. Os pesquisadores descobriram que esses pequenos limites facilitam a captura de partículas de hidrogênio.

Ialovega conduziu experimentos com o material revestido em instalações da Universidade Aix de Marselha, na França, e da Forschungszentrum Jülich GmbH, na Alemanha. Durante estas experiências, ele descobriu que quando aqueceu o material a uma temperatura mais elevada, expeliu as partículas de hidrogénio retidas sem modificar os revestimentos – um processo que essencialmente regenera o material para que possa ser utilizado novamente.

"Outro grande benefício do método spray a frio é que ele nos permite reparar componentes do reator no local, aplicando um novo muitas vezes precisam ser removidos e substituídos por uma peça completamente nova, o que é caro e demorado "reator," Ialovega diz. "Atualmente, os componentes danificados do revestimento

Os pesquisadores planejam usar seu novo material no Espelho Axisimétrico Wisconsin HTS (WHAM). O dispositivo experimental está em construção perto de Madison, Wisconsin, e servirá como protótipo para uma futura usina de fusão de próxima geração que a Realta Fusion, spin-off da UW-Madison, pretende desenvolver. Instalado no Laboratório de Ciências Físicas, o experimento WHAM é uma parceria entre UW – Madison, Instituto de Tecnologia de Massachusetts e Commonwealth Fusion Systems.

"A criação de um compósito de metal refratário com essas características de manuseio bem controlado de hidrogênio combinado com resistência à erosão e resiliência geral do material é um avanço para o projeto de dispositivos de plasma e fusão< /span> sistemas de energia," Schmitz diz. "A perspectiva de mudar a liga e incluir outros metais refratários para melhorar o compósito para aplicações nucleares é particularmente excitante."