La fusione nucleare come fonte di energia per le stelle è stata descritta negli anni ’20. Da allora, gli scienziati non hanno smesso di sognare di riprodurre questo processo in modo controllato.
Generare energia attraverso la fusione sta nell’emulare ciò che fa il Sole, ma sulla Terra e all’interno di un contenitore. Uno dei colli di bottiglia per raggiungere questo obiettivo è il design di questo contenitore, e più precisamente, trovare i materiali che potranno contenere niente di meno che una stella.
Materiali che ancora non esistono per la fusione nucleare
Ad oggi nulla supporta le condizioni estreme di irraggiamento e temperatura nelle pareti di un reattore a fusione nucleare e ci troviamo con limitazioni tecniche per caratterizzare materiali che ancora non esistono. Quindi dobbiamo inventarli e, per sapere se funzionano, metterli alla prova.
Per caratterizzarli, abbiamo bisogno di strutture sperimentali per vedere come si comportano in condizioni di irraggiamento simili a quelle previste in un reattore a fusione. Questo è l’obiettivo di macroprogetti come l’IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility) che è in corso.
Creare nuovi materiali, materiali che non esistono ancora e che possono resistere al processo è un’altra sfida scoraggiante.
Dobbiamo integrare fenomeni fisici che si manifestano alle più diverse scale dimensionali, dai nanometri, come nel caso dei difetti indotti dalle radiazioni, ai millimetri o centimetri, come avviene nella propagazione di fessure/crepe. Anche su diverse scale temporali, da picosecondi a giorni, mesi o addirittura anni. Per testare tale diversità, utilizziamo tecniche di simulazione computazionale multiscala su supercomputer.
Le simulazioni al computer sono un laboratorio virtuale per la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali per la fusione. Un chiaro esempio il cui sviluppo è stato accelerato con queste tecniche sono i metalli nanoporosi.
Metalli nanoporosi: una spugna metallica
Per immaginare cosa siano i metalli nanoporosi, pensiamo a una spugna da cucina, piena di buchi di dimensioni visibili. Quella stessa spugna, se fosse fatta di metallo e con lo stesso rapporto vuoto/materiale dell’originale ma ognuna 1.000 volte più piccola di un capello, sarebbe un metallo nanoporoso e avrebbe circa un quarto di trilione di questi pori.
In questi materiali la superficie totale dei pori è maggiore dell’area di un campo da calcio, e tutto nel volume di una spugna da cucina. In questa particolarità sta il suo potenziale per molte applicazioni tecnologiche.
E perché ci interessa questo? Perché le superfici sono pozzi per i difetti indotti dalle radiazioni.
Le condizioni estreme di radiazione in un reattore a fusione inducono innumerevoli difetti nel reticolo cristallino del materiale. Se questi difetti sono vicini a una superficie libera, migrano verso di essa e fuoriescono dal materiale. Pertanto, i metalli nanoporosi hanno teoricamente il potenziale per autoripararsi.
Valori di tungsteno
Dall’IMDEA Materials Institute siamo entrati nel campo dei materiali per la fusione con il progetto Mechanics of Nanoporous Wunder irradiation ( MeNaWir ), finanziato dalla Comunità Europea dell’Energia Atomica (Euratom) e dal programma Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) .
In MeNaWir creiamo modelli computazionali per simulare il comportamento dei metalli nelle condizioni di lavoro dei reattori. Pertanto, possiamo valutare e trovare materiali che resistono a queste condizioni avverse.
Come strategia, abbiamo scelto un quadro computazionale multiscala per l’esplorazione delle proprietà meccaniche dei materiali per la fusione, e ci siamo concentrati su metalli refrattari nanoporosi, in particolare tungsteno nanoporoso .
Il tungsteno ha il punto di fusione più alto di tutti i metalli, a circa 3.400 gradi, è altamente resistente al calore e all’usura ed è uno dei metalli meno suscettibili agli effetti delle radiazioni .
Tuttavia, anche il tungsteno potrebbe non essere sufficiente per resistere alle dure condizioni di radiazione e temperatura nelle applicazioni di fusione. Pertanto, ciò che si propone di studiare è il tungsteno con una microstruttura nanoporosa simile a una spugna.
Il tungsteno nanoporoso combinerebbe le eccellenti proprietà meccaniche in ambienti estremi del suo materiale di base con una nanostruttura che facilita la migrazione alla superficie di tutti i difetti indotti causati dalle radiazioni.
Impatto a lungo termine
Lo sviluppo di tecniche computazionali per simulare il comportamento dei materiali per i reattori a fusione comporta evidenti vantaggi per l’industria nucleare: una selezione e valutazione computazionale dei materiali, riducendo notevolmente il numero di test da effettuare in condizioni reali.
In MeNaWir, il framework computazionale da sviluppare ha una base multiscala ed è specificamente orientato allo studio del comportamento meccanico dei metalli nanoporosi nelle condizioni estreme dei reattori a fusione.
Con questo quadro sarebbe possibile, ad esempio, determinare una finestra di microstrutture ottimali per le condizioni di questi reattori. Inoltre, l’impatto dello sviluppo di queste tecniche di simulazione potrebbe essere applicato anche ad altri casi di grande interesse tecnico e condizioni di lavoro ravvicinate, ad esempio lo studio dei metalli nanoporosi nei reattori a fissione di IV generazione e nei piccoli reattori modulari.
Se funziona, avremmo trovato niente di meno che il materiale in grado di contenere una stella sulla Terra.
Autore
Carlos J. Ruestes, Javier Segurado, IMDEA MATERIALS
