Metalllegierungen können die Kernfusionsenergie unterstützen

PNNL

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Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory gaben bekannt, dass sie Ende 2022 zum ersten Mal einen Nettozuwachs bei der Kernfusionsenergie beobachtet haben. Die Forschung ist ein großer Meilenstein auf dem Weg zur Fusionsenergie, die Millionen von Haushalten und Unternehmen mit Kohlenstoff versorgen kann. neutrale Energiequelle. Um diese Errungenschaft in eine praktische Kernenergiequelle umzuwandeln, sind jedoch innovative Technologien erforderlich, um eine durch Fusion angetriebene Gesellschaft zum Leben zu erwecken.

Die Wissenschaftler des Virginia Polytechnic Institute and State University sowie des Pacific Northwest National Laboratory arbeiten daran, dieses Ziel durch ihre Bemühungen in der Materialforschung zu verwirklichen. Ihre kürzlich in Scientific Reports veröffentlichte Arbeit befasste sich mit Wolframlegierungen und zeigte, wie das Metall für den Einsatz in modernen Kernfusionsreaktoren verbessert werden könnte, indem die Struktur einer Muschel kopiert wird.

Jacob Haag, der Erstautor der Forschung, sagte, dies sei die erste Studie zu solchen Materialgrenzflächen auf zu kleinen Längenskalen. Er fügte hinzu, dass sie auch einige grundlegende Mechanismen enthüllten, die die Zähigkeit und Haltbarkeit von Materialien bestimmen.

Die Sonne hat eine Kerntemperatur von etwa 27 Millionen Grad Fahrenheit und wird durch Kernfusion angetrieben. Daher ist die Tatsache, dass Kernfusionsreaktionen viel Wärme erzeugen, verständlich. Bevor Wissenschaftler die Energie dieser Reaktionen nutzen und in Energie umwandeln können, müssen sie fortschrittliche Kernfusionsreaktoren entwickeln, die den hohen Temperaturen und Strahlungsbedingungen, die bei Fusionsreaktionen entstehen, standhalten können.

Wolfram hat den höchsten Schmelzpunkt aller auf dem Planeten Erde vorkommenden Elemente. Damit ist es eines der besten Materialien für Kernfusionsreaktoren. Allerdings kann das Metall auch spröde sein, sodass eine Vermischung mit anderen Metallen möglich ist. Durch Mischen mit anderen Metallen wie Eisen und Nickel kann eine Legierung entstehen, die härter als Wolfram ist, aber ihre hohen Schmelzeigenschaften beibehält.

Es ist nicht nur die Zusammensetzung, die diesen Wolframlegierungen ihre Eigenschaften verleiht, sondern auch die thermomechanische Behandlung des Metalls, die zur Entwicklung von Zähigkeit und Zugfestigkeit führt.

Durch ein spezielles Warmwalzverfahren wurden schwere Wolframlegierungen mit Mikrostrukturen hergestellt, die dem Perlmutt oder Perlmutt ähneln, das in Muscheln zu finden ist. Perlmutt wird für seine atemberaubenden schillernden Farben und seine erstaunliche Stärke geschätzt. Die schweren Wolframlegierungen, die Perlmutt ähneln, wurden von den Forschungsteams von PNNL und Virginia Tech auf mögliche Anwendungen in der Kernfusion untersucht.

NNehring/iStock

„Wir wollten herausfinden, warum diese Materialien im Vergleich zu Metallen und Legierungen nahezu beispiellose mechanische Fähigkeiten besitzen“, so Haag.

Um die Mikrostruktur der Legierungen zu untersuchen, verwendeten Haag und sein Team fortschrittliche Techniken wie Rastertransmissionselektronenmikroskopie, um die atomare Struktur der Legierung zu analysieren. Darüber hinaus arbeiteten sie an der Kartierung der Zusammensetzung von Materialien im Nanomaßstab, indem sie Atomsondentomographie und energiedispersive Röntgenspektroskopie kombinierten.

Die schwere Wolframlegierung besteht aus zwei separaten Phasen, die innerhalb der perlmuttartigen Struktur nebeneinander existieren: einer „harten“ Phase, die nahezu reines Wolfram ist, und einer „duktilen“ Phase, die aus einer Kombination von Nickel, Eisen und Wolfram besteht. Die Ergebnisse der Studie deuten auf eine hervorragende Verbindung zwischen den verschiedenen Phasen, einschließlich der eng gekoppelten „harten“ und „duktilen“ Phasen, als Quelle der hohen Festigkeit wolframschwerer Legierungen hin.

Laut Wahyu Setyawan, einem Informatiker am PNNL und Mitautor der Studie, „erzeugen die beiden unterschiedlichen Phasen ein robustes Komposit, stellen aber große Hürden bei der Herstellung hochwertiger Proben zur Charakterisierung dar. Dies ermöglichte es uns, die genauen Details offenzulegen.“ Struktur der Phasengrenzen und die chemische Abstufung über diese Grenzen hinweg, dank der hervorragenden Arbeit unserer Teammitglieder.“

Die Arbeit zeigt, wie starke Materialwechselwirkungen in schweren Wolframlegierungen durch die Kristallstruktur, Geometrie und Chemie beeinflusst werden. Darüber hinaus werden Möglichkeiten zur Verbesserung des Designs und der Eigenschaften von Materialien für Fusionsanwendungen aufgezeigt.

Die Sicherheit und Haltbarkeit dieser Zweiphasenlegierungen müsse optimiert werden, wenn sie in Kernreaktoren eingesetzt werden sollen, so Haag.

Die Ergebnisse der Studie werden bereits in mehreren Dimensionen innerhalb von PNNL und der Gemeinschaft der wissenschaftlichen Forschung erweitert. PNNL arbeitet außerdem an der mehrskaligen Materialmodellierung, um die Struktur zu optimieren und die Festigkeit von Materialien mit unterschiedlichen Grenzflächen zu testen. Darüber hinaus arbeiten sie daran, zu beobachten, wie sich diese Materialien unter extremen Temperaturen und Strahlungsbedingungen in einem Fusionsreaktor verhalten.

Setyawan fügte hinzu, dass es für ihr Team spannend sei, an der Fusionsenergie zu arbeiten, da das Weiße Haus und der Privatsektor Interesse an der Forschungsarbeit gezeigt hätten. Die von ihnen betriebene Forschung zur Entdeckung von Materiallösungen für einen längeren Betrieb ist erforderlich, um die Realisierung von Fusionsreaktoren zu beschleunigen.

Darüber hinaus wurde die Forschung auch vom Department of Energy, Fusion Energy Sciences, Office of Science und dem Office of Science Graduate Student Research Programm unterstützt.