Team entwickelt Legierung zur Steigerung der Fusionsenergie

13. Juni 2023

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vom Los Alamos National Laboratory

Eine neu entwickelte Legierung auf Wolframbasis, die in extremen Umgebungen ähnlich denen in Fusionsreaktor-Prototypen gut funktioniert, könnte dazu beitragen, Fusionsenergie zu nutzen.

„Die neue Legierung weist eine vielversprechende Beständigkeit gegen Bestrahlung und Stabilität unter den hohen Temperaturen und extremen Bestrahlungsumgebungen auf, die in einer Fusionsreaktorumgebung üblich sind“, sagte Osman El Atwani, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Los Alamos National Laboratory.

„Die Entwicklung dieser Legierung und die Übereinstimmung zwischen Modellierung und Experimenten, die sie darstellt, weisen den Weg für die Entwicklung weiterer nützlicher Legierungen, ein wesentlicher Schritt, um die Stromerzeugung durch Fusion robuster, kostengünstiger, wirtschaftlich vorhersehbarer und für Investoren attraktiver zu machen.“ ."

Da Fusionsenergiekonzepte immer näher an die reale Welt heranrücken, ist die Lösung des Materialproblems unerlässlich. Die ermutigenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein Designparadigma, wie es von El Atwani und seinen Mitarbeitern beschrieben wurde, und Legierungen mit hoher Entropie möglicherweise bereit sind, ihre Rolle bei der Nutzung des Versprechens der Fusion zu spielen.

El Atwani war der Hauptforscher des Projekts, an dem mehrere nationale und internationale Institutionen beteiligt waren. Ihre Ergebnisse wurden im Mai in Nature Communications veröffentlicht.

Für die Erzeugung sauberer Energie durch Fusion sind Materialien erforderlich, die den rauen Bedingungen – hohe Temperaturen, Strahlung (Einwirkung hochenergetischer Neutronenstrahlung und Heliumpartikelflüsse) und Stress – im Zusammenhang mit Fusionsreaktionen, die heißer als die Sonne sind, standhalten können.

El Atwani und seine Mitarbeiter entwickelten eine nanokristalline Legierung mit hoher Entropie – eine Legierung aus fünf oder mehr Elementen mit einer kristallinen Form auf nanoskaliger (atomarer) Ebene. Wolfram, ein seit langem untersuchtes Element der Wahl für plasmabeschichtete Komponenten, ist das Hauptelement in der Legierung.

Leider ist die Eignung aktueller Wolframmaterialien als plasmazugewandte Komponenten begrenzt, da sich das Material unter Fusionsbedingungen zersetzt und verformt. Um für die Fusion besser geeignete Materialien zu entwickeln, nutzte das Forschungsteam Berechnungen thermophysikalischer Eigenschaften, fortschrittliche Berechnungsmethoden und Simulationen, die an mehreren Institutionen durchgeführt wurden, darunter Los Alamos, der britischen Atomenergiebehörde, der Clemson University und der Universität Warschau.

Letztendlich wurde das Element Hafnium für die Legierungsmischung ausgewählt, basierend auf der durch die Modellierung und Simulationen vorhergesagten Leistung.

Nach der Herstellung von Filmen aus der Legierung im Center for Integrated Nanotechnologies in Los Alamos wurde eine Version des Materials im Argonne National Laboratory bestrahlt. Eine andere Version wurde im Ion Beam Materials Laboratory in Los Alamos bestrahlt. Fortschrittliche Techniken, darunter In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie, zeigen, dass die Legierung diesen rauen experimentellen Bedingungen, die einen Prototyp einer Kernfusionsenergie nachbilden, gut standgehalten hat.

„Die ausgewählten Zusammensetzungen dieses Materialsystems weisen die beste Strahlungsbeständigkeit aller Legierungen auf, die unter ähnlichen Bedingungen und Aufbauten getestet wurden“, sagte Enrique Martinez, Materialwissenschaftler an der Clemson University. „Diese Ergebnisse stimmen mit unserer Modellierung überein, die die Anzahl der zur Bewertung der Materialleistung erforderlichen Experimente erheblich minimiert hat.“

Solche Legierungen können auch in amorphen Formen synthetisiert werden, einer Art Struktur, bei der die Atome in Materialien nicht über große Entfernungen ausgerichtet sind, wie es bei kristallinen Strukturen der Fall ist. In verwandten Untersuchungen eines Teams aus Los Alamos führte die Zugabe von Hafnium zu amorphen Legierungen zu einer hohen Stabilität bei Bestrahlung und Glühen, einer Wärmebehandlung, die bei Fusionsumgebungen angewendet wird. Dieser Erfolg, angeführt von Hauptforscher El Atwani und Postdoktorand Matheus Tunes aus Los Alamos, wurde kürzlich in Applied Materials Today beschrieben.

„Bei diesen Projekten handelt es sich um Arbeiten im Frühstadium der Technologiereife, und eine Massenfertigung der Materialien sowie weitere Experimente sind erforderlich, um sie als plasmazugewandte Komponenten oder strukturelle Kernfusionsmaterialien zu qualifizieren“, sagte El Atwani. „Die Gesamtarbeit, die wir mit diesen Legierungen geleistet haben, mit Hochdurchsatzsimulation und experimentellen Ergebnissen, stellt jedoch ein Materialdesignprotokoll für die zukünftige Gestaltung und Bewertung neuer Legierungen dar. Diese Ergebnisse werden uns bei der Auswahl von Materialien helfen, um den Technologiereifegrad voranzutreiben.“ ."

Mehr Informationen: O. El Atwani et al., Eine quinäre nanokristalline feuerfeste hochentropische WTaCrVHf-Legierung, die extremen Strahlungsumgebungen standhält, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38000-y

MA Tunes et al., Perspektiven auf neuartige feuerfeste amorphe Hochentropielegierungen in extremen Umgebungen, Applied Materials Today (2023). DOI: 10.1016/j.apmt.2023.101796